DE2730808A1

DE2730808A1 - Sonnenenergiekollektor

Info

Publication number: DE2730808A1
Application number: DE19772730808
Authority: DE
Inventors: John Malcolm Leigh
Original assignee: Broken Hill Pty Co Ltd
Current assignee: Broken Hill Pty Co Ltd
Priority date: 1976-07-07
Filing date: 1977-07-07
Publication date: 1978-01-19
Also published as: IL52451A0; US4140103A; JPS5328832A; FR2357840B1; ZA774093B; IL52451A; GB1585793A; CA1087053A; FR2357840A1; IT1079881B; NZ184553A; NL7707586A; JPS5648776B2

Description

1000 Munch in 22 StiinsdorfstraBe 21 - 22 Telefon 089 / 22 94

ζ 273U8O8

B 8372

THE BROKEN HILL PROPRIETARY COMPANY LIMITED 140 William Street, Melbourne, Victoria / Australia

Sonnenenergiekolloktor

Die Erfindung betrifft einen Sonnenenergiekollektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der konventionelle, die Form einer "ebenen Platte" aufweisende Sonnenkollektor weist grundsätzlich eine Reihe vertikaler, jeweils im Abstand von etwa 150 mm zueinander vorgesehener Kupferrohre auf, die mit oberen und unteren horizontalen Rohren verbunden sind, die ihrerseits die Strömungsdurchlässe für das zu erhitzende Wasser bilden. Die vertikalen Rohre sind üblicherweise von einem dünnen

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Kupferblech bedeckt, das entweder mit einem schwarzen Oberflächenanstrich versehen ist oder einen noch wirksameren, speziell ausgewählten Überzug aufweist, so daß das Kupferblech als Hauptabsorber für die Sonnenstrahlung wirkt. Die aufgefangene Energie wird vom Kupferblech zu dem in den Kupferrohren befindlichen Wasser geleitet, worauf das Heißwasser im Kollektor üblicherweise mittels Thermo-Siphonwirkung zum Lager- bzw. Speichertank verbracht wird; hierbei steigt das Heißwasser zum Speichertank hoch und drückt das kältere Wasser nach unten zu dem zu erwärmenden bzw. zu erhitzenden Kollektor.

Aufgrund der vergleichsweise großen Menge des in den Kollektorrohren enthaltenen Wassers ist der Wärmeübergang zwischen dem Kollektor und dem Speicher relativ langsam; demgemäß können auch während Perioden intermittierender Sonnenscheindauer ganz beträchtliche Mengen an aufgefangener Energie verloren gehen. Ein weiterer gravierender Nachteil der konventionellen Kollektoren ist darin zu sehen, daß, da das System ein "offenes" System ist, die Verhinderung von Korrosion jeweils der am meisten zu berücksichtigende Gesichtspunkt bei der Auswahl des zur Anwendung gelangenden Materials sein muß. Außerdem ist auch bei den meisten bekannten Kollektorkonstruktionen eine kostspielige Kupferrohr- und Kupferblechanordnung erforderlich. Schließlich sind auch konventionelle Kollektoren aufgrund ihrer Konstruktion zwangsläufig auf eine maximale Wassertemperatur unterhalb 100 C begrenzt, d.h. beispielsweise auf lediglich 80 C.

Die Wirksamkeit eines Sonnenkollektorsystems hängt ganz allgemein vom Unterschied zwischen der jeweiligen Arbeitsteinperatur und der Umgebungstemperatur ab. Hieraus ergibt sich, daß an Orten mit niedrigeren Umgebungstemperaturen die bestehenden kommer-

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ziellen Sonnenenergieabsorber ernsthafte Nachteile aufweisen und erheblichen Beschränkungen unterliegen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung der geschilderten Nachteile einen Sonnenenergiekollektor zu schaffen, der wirksamer als die bekannten Kollektoren arbeitet.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen enthalten.

Der Sonnenenergiekollektor gemäß der Erfindung ist versehen mit einem geschlossenen Mantel bzw. einem geschlossenen Gehäuse, das einen Raum zur Aufnahme eines Arbeitsfluids begrenzt, wobei dieser Raum in einen Dampfraum mündet, in den das Arbeitsfluid verdampfen kann, wenn es durch gegenüber der Sonnenstrahlung erfolgendes Aussetzen einer Fläche des den Arbeitsfluidraum begrenzenden Gehäuses erhitzt wird, wenigstens einem Kondensationsrohr, das in direkter thermischer Berührung mit dem Dampfraum steht und durch das die zu erhitzende Flüssigkeit strömt, und einer Einrichtung zum Zurückführen des kondensierten Dampfes vom Dampfraum zum Arbeitsfluidraum.

Die Kondensatrückführeinrichtung weist vorzugsweise Kanäle auf, die im Gehäuse vorgesehen sind und sich vom Dampfraum zum entgegengesetzten Ende des Arbeitsfluid rau ms erstrecken.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das Kondensationsrohr in den Dampfraum hinein sowie durch diesen hindurch. Bei einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung stehen mehrere Kondensationsrohre in Eingriff mit in der Wand des Gehäuses am

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Dampfraum vorgesehenen Nuten und sind innig mit dem Gehäuse verbunden, so daß die thermische Leitfähigkeit zu den Kondensations rohren maximiert ist.

Das Gehäuse ist vorzugsweise aus zwei Metallblechen gebildet, die beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen und in geeigneter Weise an ihren Umfangskanten dicht miteinander verbunden sowie zur Bildung des Arbeitsfluidraumes im Abstand zueinander angeordnet sind. Der Dampfraum ist vorzugsweise mittels einer eine Vertiefung bildenden Einprägung oder dgl. in einem oder beiden der Metallbleche gebildet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 das obere Bauteil des Sonnenenergiekollektorgehäuses in Draufsicht und

Fig. 2 im Querschnitt gemäß Linie 2-2 nach Fig. 1;

Fig. 3 das mit dem oberen Bauteil gemäß Fig. 1 zur Bildung des Gesamtkollektorgehäuses verbindbare untere Bauteil des Kollektorgehäuses in Draufsicht und

Fig. 4 im Querschnitt gemäß Linie 4-4 nach Fig. 3;

Fig. 5 einen Teil des gesamten Kollektorgehäuses im Schnitt gemäß Linie 5-5 nach Fig. 3;

Fig. 6 in Draufsicht das obere Bauteil einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Sonnonenergiekollektorgehäuses und

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Fig. 7 das untere Bauteil;

Fig. 8 einen Teil des vollständigen Kollektors gemäß Linie 8-8 nach Fig. 6;

Fig. 9 das obere Bauteil des SonnenkoUektorgehäuses gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform in Draufsicht und

Fig. 10 im Querschnitt gemäß Linie 10-10 nach Fig. 9;

Fig. 11 das untere Bauteil dieses Kollektorgehäuses in Draufsicht und

Fig. 12 im Schnitt gemäß Linie 12-12 nach Fig. 11; Fig. 13 einen Schnitt gemäß Linie 13-13 nach Fig. 11;

Fig. 14 eine Ausführungsform eines vollständigen Sonnenenergiekollektors mit dem Sonnenenergiekollektorgehäuse des Typs gemäß Fig. 9 - 13 in perspektivischer Darstellung,

Fig. 15 im Querschnitt gemäß Linie 15-15 nach Fig .14 und

Fig. 16 im Längsschnitt einen Teil des Kollektors gemäß Linie 16-16 nach Fig. 14;

Fig. 17 im Diagramm den Wirkungsgradvergleich zwischen

einer bevorzugten AusfiihrunKsform des erfindungsgemäßen Kollektors und einem konventionellen Kollektor sowie

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Fig. 18 im Diagramm die Aufzeichnung der Änderungen

einiger relevanter Werte, die sich aus Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Kollektor ergeben haben.

Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 5 weist der dargestellte Kollektor zwei dünne Motallbleche 1, 2 auf, wobei das obere Blech 1 an seiner Außenfläche derart behandelt ist, daß eine Selektivsolarabsorberfläche S geschaffen ist. So kann das Blech 1 beispielsweise mit einem durch Commonwealth Scientific Industrial Research Organization of Australia(CSIRO) entwickelten Chromschwarz-Überzug oder durch jede andere geeignete Behandlung behandelt sein. Für den Fall, daß die Bleche 1, 2 aus rostfreiem Stahl bestehen, hat sich gezeigt, daß eine Blechdicke in der Größenordnung von 0,2 bis 1,0 mm ausreichend ist.

Das bodenseitige bzw. untere Blech 2 ist mit einer Vielzahl von nach oben ragenden Rippen 3 versehen, mittels denen ein geeigneter Arbeitsfluidraum (wenigstens etwa 0,5 mm tief, vorzugsweise jedoch mit einer Tiefe in der Größenordnung von 2 mm) gebildet und zwischen den beiden Blechen 1, 2 aufrechterhalten ist. Die beiden Bleche 1, 2 sind entlang ihrer Umfangskanten mittels eines konventionellen Fabvorganges miteinander verbunden, und zwar beispielsweise in der gleichen Weise, wie er beim Säumen bzw. Verschließen von Dosenenden zur Anwendung gelangt, um hierdurch eine hermetische Abdichtung 9 zu schaffen. Das bodenseitige Blech 2 ist außerdem mit einer Vielzahl von untereinander verbundenen, nach außen gerichteten und länglichen Einprägungen 4 versehen, die zusammen mit dem oberen Blech 1 eine Vielzahl von Kondensatrücklaufkanälen bilden. Diese Kanäle umfassen Seitenkanäle 5, die sich entlang den Blechseiten nach unten erstrecken und in einen Bodenkanal 6 münden, der zu dem zwischen den Blechen 1, 2 gebildeten Raum hin

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offen ist. Quer über die Blechplatte 2 erstreckt sich zwischen den Seitenkanälen 5 ein Querkanal 7, von dem aus eine Vielzahl von kurzen Zufuhrkanälen 8 nach oben verläuft.

Die Kanäle 7, 8 münden in einem Dampfraum 10, der durch eine nach außen gerichtete Vertiefung im oberen Blech 1 gebildet ist. Die Vertiefung ist mit mehreren nach außen gerichteten Kanälen versehen, die derart ausgebildet sind, daß sie Kondensations rohre aus Kupfer oder einem.entsprechenden korrosionsfesten Material guter Wärmeleitfähigkeit weitgehend umgeben. Um einen guten Wärmeübergang bzw. eine gute Wärmeleitung zwischen den Rohren 11 und dem den Dampfraum 10 begrenzenden Teil des Bleches 1 zu gewährleisten, sind die Rohre 11 mit dem oberen Blech 1 verlötet oder auf andere Weise innig hiermit verbunden.

Vor dem abschließenden Verschließen des Kollektors wird der zwischen den beiden Blechen 1, 2 gebildete Raum durch ein nicht dargestelltes Loch hindurch evakuiert, und zwar im Idealfall auf einen Wert, der etwa 25 mm Wassersäule entspricht (obwohl in der Praxis höhere Werte noch akzeptabel und auch leichter erreichbar sind), worauf dann der Raum mit Wasser oder einem anderen geeigneten Fluid gefüllt (beispielsweise bis zum Niveau des Dampfraumes 10) und sodann hermetisch abgedichtet wird. Obwohl die Evakuierung für die Arbeitsweise des Kollektors nicht wesentlich ist, wird hierdurch doch dessen Wirkungsgrad beträchtlich verbessert. Es kann außerdem erforderlich sein, die Bleche 1, 2 an ihren Umfangskanten miteinander zu verschweißen oder zwischen die Naht an den beiden Flächen 1, 2 eine geeignete Abdichtungsverbindung einzusetzen, um eine hermetische Abdichtung zu gewährleisten.

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Zur Ingebrauchnahme werden die Kondensations rohre 11 an einen Wassertank angeschlossen, die Absorberfläche S der Sonnenstrahlung ausgesetzt und der Kollektor in geneigter Stellung angeordnet. Immer dann, wenn die Oberfläche S auf einen Wert oberhalb der Temperatur des im Tank befindlichen Wassers erhitzt wird, kocht bzw. siedet das Wasser im Arbeitsfluidraum, wodurch im Dampfraum 10 Dampf erzeugt wird, der an den in Berührung mit den Rohren 11 stehenden Teilen des Bleches 1 kondensiert und das Wasser hierin erhitzt. Die Rohre 11 sind etwa 3-4 zur Horizontalen geneigt, um eine wirksame Thermo-Siphonbewegung des Wassers in den Rohren 11 zu gewährleisten. Der Dampf kondensiert an den Innenwänden des Dampfraumes 10 und lauft entlang den Kanälen 8 nach unten in den Kanal 7 sowie von dort aus in die Kanäle 5 und in den Kanal 6, wo das Kondensat wiederum zur Verdampfung zur Verfugung steht. Dieser Prozeß setzt sich so lange fort, bis die Flüssigkeit im Tank die Temperatur der Absorberfläche S erreicht.

Bei der gegenüber der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 5 abgewandelten zweiten Ausführungsform nach Fig. 6 bis 8 sind die Rippen 3 durch im unteren Blech 2 vorgesehene Vertiefungen 20 ersetzt. Bei dieser Ausführungsform ist der Dampfraum durch eine einen ebenen Boden aufweisende Einprägung 21 gebildet, wobei sich ein Kondensatrohr 22 durch die bodenseitige Blechplatte 2 hindurch sowie in den Dampfraum hinein erstreckt, wo es in direkter Berührung mit dem Dampf steht. Dadurch kondensiert der Dampf direkt an der Wand des Kondensationsrohres 22. Aus diesem Grund wird diese zweite Ausführungsform üblicherweise auch gegenüber der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform bevorzugt.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 9 bis 13 weist der Kollektor ebenfalls zwei dünne Metallbleche 30, 31 aus rostfreiem

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Stahl auf, wobei das oberseitige Metallblech 30 vorzugsweise genau wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen an seiner Außenfläche behandelt ist, um eine Selektivsolarabsorberfläche S zu schaffen. Das untere bodenseitige Metallblech 31 weist eine Vielzahl jeweils hierin parallel vorgesehener, abwechselnd breiter und schmaler Wellungen 32, 36 (Rippen, Sicken oder dgl.) auf, die sich Seite an Seite über weitgehend die gesamte Breite des Bleches 31 erstrecken und jeweils von einer Stelle nahe einer unteren Kante des Kollektors, wenn dieser geneigt ist, zu einer Stelle nahe der oberen Kollektorkante verlaufen. Das untere Metallblech 31 weist einen hieran angeformten Umfangsflansch 33 auf, von dem ein Flanschteil 33a am einen Ende des Metallbleches 31 höher ist als der verbleibende Teil des Umfangsflansches 33. Das obere Metallblech 30 weist ebenfalls einen hieran angeformten Umfangsflansch 34 auf, wobei das obere und das untere Blech 30, 31, wenn sie miteinander vereinigt werden, zur Bildung einer hermetischen Abdichtung an ihren Umfangskanten 33, 34 durch Schweiften oder Falzen miteinander verbunden werden. Die beiden Bleche 30, 31 können auch miteinander verschweißt werden, und zwar in Abständen, die ausreichend groß sind, um ein Gebilde zu schaffen, das einen positiven bzw. wirksamen Innendruck von 4 bis 5 Atmosphären im Gehäuse aushält. Wenn die beiden Bleche 30, 31 miteinander verbunden sind, schlagen die Innenrippen der Wellungen 32, 36 im unteren Blech 31 an die Innenfläche des oberen Bleches 30 an und bilden einerseits innerhalb der breiteren Weitungen 32 etwa 0,6 mm tiefe Kanäle 35, die hauptsächlich die Arbeitsfluidräunie darstellen, sowie andererseits innerhalb der schmaleren Wellungen 36 schmalere Kanäle 37, die hauptsächlich als Kondensatrückführkanäle wirken.

Die Kanäle 35, 37 münden in einen durch eine nach außen gerichtete Vertiefung des oberen Metallbleches 30 gebildeten Dampfraum

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und sind an ihren gegenüberliegenden Enden zu einem bodenseitigen Kanal 39 hin offen, der durch eine geringfügig nach außen gerichtete Vertiefung im oberen Metallblech 30 gebildet ist. Es wird angenommen, daß der Dampf die Tendenz aufweist, sich in den breiteren Kanälen 35 zu bilden, und zwar insoweit, als diese den Weg geringsten Widerstandes anbieten, während jegliches andere, sich im Dampfraum 38 ansammelnde Fluid - entweder als Kondensat oder

hindurch als Fluid, das durch den Dampf die Kanäle 35/nach oben getragen worden ist - entlang den kleineren Kondensatrücklaufkanälen 37 nach unten zurückkehrt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, weist der durch die nach außen gerichtete Vertiefung des oberen Metallbleches 30 gebildete Dampfraum 38 abgeschrägt verlaufende Stirnwände 40 auf, durch die ein Kondensatrohr 41 hindurchläuft, das seinerseits den Dampf raum 38 durchsetzt. Das Kondensatrohr 41 ist mittels Silberlöten an den schräg verlaufenden Stirnwänden 40 festgelegt.

Genau wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird der Arbeitsfluidraum vor dem abschließenden Verschließen des Kollektorgehäuses durch ein nicht dargestelltes Loch hindurch auf einen Wert von etwa 25 mm Wassersäule evakuiert (obwohl in der Praxis auch höhere Werte akzeptabel sind und leichter erhalten werden können), worauf dann der Raum mit Wasser oder einem anderen geeigneten Fluid gefüllt (beispielsweise bis zum Niveau des Dampfraumes 38) und abschließend hermetisch abgedichtet wird. Beim Betrieb ist das Kondensationsrohr 41 mit einem Wassertank verbunden und die Absorberfläche S der Sonnenstrahlung ausgesetzt, wobei der Kollektor in einer geneigten Stellung angeordnet bzw. gelagert ist. Genau wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kommt dann, wenn die Oberfläche S bis über die Temperatur des im Tank befindlichen Wassers erhitzt ist, das Wasser oder Fluid in den Arbeitsfluidkanälen 35 zum Sieden, wodurch im Dampf -

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raum 38 Dampf erzeugt wird, der an der Außenfläche des innerhalb des Dampfraumes 38 verlaufenden Kondensations rohre s 41 kondensiert und das Wasser innerhalb des Kondensationsrohres 41 erhitzt. Das Kondensations rohr 41 kann genau wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen etwa 3 bis 4 zur Horizontalen geneigt sind, um eine wirksame Thermo-Siphonbewegung des im Kondensationsrohr 41 enthaltenen Wassers zu gewährleisten. Der kondensierte Dampf läuft entlang den Kondensationsrücklaufkanälen 37 nach unten in den bodenseitigen Kanal 39 und von dort aus in die Kanäle 35, wo das Kondensat erneut zur Verdampfung zur Verfügung steht. Dieser Prozeß wiederholt sich so lange, bis die Flüssigkeit im Speichertank die Temperatur der Absorberfläche S erreicht.

In Fig. 14 bis 16 ist ein vollständiger Sonnenenergiekollektor 42 dargestellt, der das Sonnenenergiekollektorgehäuse der Ausführungsform gemäß Fig. 9 bis 13 enthält.

42

Der vollständige Kollektor/weist einen flachen kastenförmigen Behälter auf, der an der Oberseite offen ausgebildet und aus Metallblech geformt ist, das vorzugsweise einen galvanisierten oder dgl. Schutzüberzug aufweist und derart zugeschnitten und gefaltet ist, daß eine Basiswand 43, Längsseitenwände 44, Stirnwände 45 und nach innen gekehrte obere Umfangskanten 46 gebildet werden. Die Oberseite des Behälters ist durch ein Deckelglied 47 verschlossen, das einen in der dargestellten Weise der Oberkante des Behälters aufliegenden, querschnittlich L-förmigen U mfangs rahmen 48 aufweist. Wie weiterhin dargestellt, wird wenigstens eine Scheibe 49 aus für Sonnenstrahlung durchlässigem Material, wie beispielsweise zäh gemachtes Glas, zwischen den nach innen gebogenen Kanten 46 des Behälters und dem U mfangs rahmen 48 aufgenommen, wobei Lagerstreifen 50 aus elastisch federndem Material zwischen der Scheibe und dem Behälter angeordnet sind.

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Wie aus Fig. 15 und 16 ersichtlich, ist das Sonnenenergie kollektorgehäuse innerhalb des Behälters angeordnet und an seiner Unterseite, an seinen Seitenflächen sowie an seinen Stirnflächen von einer Schicht 51 aus Isoliermaterial, beispielsweise Glasfasern, umgeben, wobei, um das Kollektorgehäuse in seiner Lage zu halten, insbesondere wenn der Kollektor während des Gebrauchs verschwenkt oder geneigt ist, die obere Kante des höheren Teils des Umfangsflansches 33a sich gegen den nach unten gekehrten Abschnitt der benachbarten oberen Umfangskante 46 des Behälters abstützt, während eine Längskante eines eine gerollte Kante 53 aufweisenden Verbindungsstreifens 52 an einer Seite desjenigen Teils des Kollektorgehäuses festgelegt ist, das den Dampfraum 38 bildet; hierbei ist in der dargestellten Weise die gerollte Kante 53 innerhalb der benachbarten Isoliermaterialschicht 51 eingebettet.

Mit dem beschriebenen Sonnenenergiekollektor gemäß Fig. 9 bis wurde ein Versuch durchgeführt, dessen Ergebnisse mit den Charakteristika eines typischen konventionellen Kollektors verglichen wurden, um eine Anzeige darüber zu erhalten, welches Ausmaß an Verbesserung der beschriebene Sonnenenergiekollektor gegenüber einem konventionellen Kollektor bietet.

Zur Durchführung des Versuchs wurde eine vereinfachte Form des Sonnenenergiekollektors hergestellt, die sich von dem beschriebenen Kollektor insofern unterschied, als das Kollektorgehäuse aus Aluminiumblech hergestellt wurde, wobei ein Kupferkondensationsrohr von 12 mm Durchmesser air Anwendung gelangte. Die Oberseite des Kollektorgehäuses war mit einem matten schwarzen Farbüberzug überzogen, wobei das Gehäuse selbst in einem Behälter angeordnet war, der aus Holzbalken mit einer das Gehäuse in der beschriebenen Weise umgebenden Polystyrolisolierung von 25 mm Dicke her-

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gestellt war. Die Herstellung des Kollektors wurde schließlich dadurch beendet, daß ein 3 mm dicker Deckel aus zäh gemachtem Glas vorgesehen wurde. Weiterhin war in das Kondensationsrohr ein zu einer Spirale bzw. Schraubwendel verdrehter dünner Metallstreifen eingeführt, um bei dem durch das Rohr hindurchströmenden Fluid (im vorliegenden Fall: Wasser) größere Turbulenzen zu induzieren. Das Arbeitsfluid innerhalb des Kollektorgehäuses war Wasser.

Das Ausgangsende des Kondensationsrohrs des Kollektors war über eine Pumpe mit einem mit Wasser gefüllten Speichertank an einer Stelle nahe dessen Oberseite verbunden und stand mit dessen Innerem in Strömungsverbindung, während das andere Ende des Kondensationsrohres mit dem Speichertank an einer Stelle nahe dessen Boden verbunden war und mit dessen Innerem in Verbindung stand.

Während des Versuchs wurden die jeweiligen Temperaturwerte für die Oberseite und den Boden des Wasserspeicherbehälters gelesen bzw. erfaßt und aufgezeichnet, wobei gleichzeitig auch die Werte für die Umgebungstemperatur und die Temperatur des Kollektorgehäuses gemessen und aufgezeichnet wurden. Die Werte für die Wassertemperaturen im Speichertank und die Umgebungstemperatur wurden mit einem Quecksilberglasthermometer gemessen, während die Temperaturen des Kollektorgehäuses mittels Thermoelementen gemessen wurden. Das Ausmaß der einfallenden Sonnenstrahlung (Isolierung) wurde gleichzeitig gemessen und aufgezeichnet, und zwar unter Verwendung eines Middleton-Pyronieters, das im selben Neigungswinkel wie der Versuchskollektor eingestellt und geneigt war. Der Kollektor und das Pyrometer waren auf einem Ständer angeordnet, der im allgemeinen zum nördlichen Himmel zeigte, da dort zu demjenigen Zeitpunkt des Jahres, zu dem der Versuch in Australien durchgeführt wurde, die Sonne steht.

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Der Versuch wurde zwischen 11.45 und 13.00 Uhr an dem für den Versuch ausgewählten Tag durchgeführt und umfaßte 16 gesonderte Ablesungen in Zeitintervallen von etwa 6 Minuten.

Anhand der durchgeführten Ablesungen bzw. Messungen wurden sodann die Wirkungsgradberechnungen für den Kollektor gemäß folgender Formel durchgeführt:

(MjCpj+MgCpg+MgCpg) Λ t

A_CG

wobei:

η - Wirkungsgrad

M- - Wassermenge im Speichertank

M„ = Masse des Speichertanks

M„ - Masse der Anschlußstücke

Cp. = spezifische Wärme von Wasser

Cp_? = spezifische Wärme des Speichertanks

Cp₃ = spezifische Wärme der Anschlußstücke

A = Fläche der Glasöffnung für den Kollektor

G = Isolierung

ät - Temperaturdifferenz.

In diesem Zusammenhang ist die Feststellung von Bedeutung, daß während des Versuches Wärmeverluste der Pumpe, Rohre und Behälter bzw. Tanks in den durchgeführten Berechnungen nicht angesetzt wurden. Die Messungen und durchgeführten Berechnungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt, wobei T = die im Wasserspeichertank herrschende Durchschnittstemperatur, berechnet aus den an der Oberseite und am Boden des Tanks durchgeführten Temperaturmossungon, und

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T = die angenäherte Himmelstemperatur, die der Umgebungstemperatur minus 3 C entspricht.

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Tabelle

O CD OO OO U)

Umgebungs temperatur	Tanktemperatur L⁰C]	unten	Durchschnitts tanktemperatur	Isolierung G	Zeitzuwachs [Mini	T -Te	Wirkungsgrad η	I i	0,71	durchschnittlicher Wirkungsgrad	j	0,63
[°C]	oben	25,5	^Τω ^:°^C:	IWm²I		G		0,51	über 2 Perioden
15	26,0	27,5	25,75				0,41		0,47
15	28,0	29,0	27,75	868	6	0,018	0,83
16	29,5	30,0	29,25	904	6	0,018	0,50	0,61	0,51
15,5	30,5	32,5	30,25	901	5	0,02	0,54
15,5	33,0	33,5	32.75	922	6	0,022	0.61	0,62	0,43
15,5	34.5	35,2	34.0	912	5	0,023	0,65
15,5	36,0	36,6	35,6	909	6	0, 025	0,32	0,52	0,43
16.0	37.5	38.5	37,15	933	5	0,026	0,62
15,5	39,0	39.5	38,75	897	5	0,029	0,43
15,5	40,0	41.0	39,75	916	6	0,029	0,58
15.5	41.5	42.0	41,25	890	5	0,031	0,41
16,0	43,0	43,5	42,5	885	6	0,033	0,45
16,5	44,2	44,5	43,85	857	5	0,036	0,42
16,5	45.2	45,8	44,85	890	5	0,035	0,45
16,0	46,5	46,7	46,15	890	6	0,037
16,0	47,0	47,0	46,8 5	618	5	0,0 55
16,0	47.0	47,0	123	5	0,27

Ca) O OO O CO

2 7 J O 8 Ü

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß die Wirkungsgradwerte ebenfalls über zwei Intervalle hinweg gemittelt wurden, um das Streuen der Wirkungsgradwerte beim Auftragen im Diagramm gemäß Fig. 17 zu verringern.

Soweit bekannt, gibt es gegenwärtig noch kein offizielles oder genormtes Versuchsverfahren zum Untersuchen von Sonnenenergiekollektoren, weswegen es sich auch einigermaßen schwierig gestaltet, in der verfügbaren Literatur Versuchsergebnisse für einen konventionellen Sonnenenergiekollektor aufzufinden, um auf diese Weise einenaich nur einigermaßen aussagekräftigen Vergleich zwischen den Versuchsergebnissen des beschriebenen Kollektors und denjenigen eines konventionellen Kollektors durchführen zu können.

Diesbezüglich konnte jedoch auf einen technischen Bericht mit der Nummer TR 9 Bezug genommen werden, der durch die Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), Australien, veröffentlicht wurde.

Die in diesem CSIRO-Bericht gezeigte Wirkungsgradkurve des konventionellen Kollektors ist im Diagramm gemäß Fig. 17 als durchgezogene Linie dargestellt, wobei diese Wirkungsgradkurve des CSIRO-Berichtes aus Versuchsdaten eines Kollektors gebildet wurde, von dem angenommen wird, daß er zur Verringerung der Wärmeverluste und zur Verbesserung des Kollektorwirkungsgrades einen Selektivüberzug aufwies. Gemäß dem CSIRO-Bericht wurde der sich auf den beschriebenen bekannten Kollektor beziehende Versuch zwischen 11.00 und 13.00 Uhr an einem klaren sonnigen Tag durchgeführt, wobei der Kollektor in 10 Minuten-Abständen jeweils erneut ausgerichtet wurde, so daß die Oberfläche des Kollektors, um minimale Reflektionsverluste am Glasdeckel zu gewährleisten, stets

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senkrecht zur einfallenden Strahlung verblieb. Die strichpunktierte Linie im Diagramm gemäß Fig. 17 stellt eine Schätzung des tatsächlichen Wirkungsgrades des durch CSIHO untersuchten Kollektors unter Berücksichtigung dessen thermischer Masse dar, wobei an dieser Stelle festzustellen ist, daß bei dem zur Untersuchung des erfindungsgemäßen Kollektors angewendeten Verfahren diejenige Energie, die zur Erhitzung des Kollektors selbst erforderlich war, nicht berücksichtigt wurde.

Aus den Versuchsdaten des erfindungsgemäßen Kollektors ergibt sich im Vergleich mit denjenigen des konventionellen Kollektors gemäß dem CSIRO-Bericht unter Bezugnahme auf das Diagramm gemäß Fig. 17, daß der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Kollektors außerordentlich günstig gegenüber demjenigen des einen Selektivüberzug aufweisenden konventionellen Kollektors abschneidet, so daß vernünftigerweise eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Kollektors erwartet werden kann, wenn einmal auf die Oberfläche des Kollektorgehäuses ein Selektivüberzug aufgebracht ist.

Bei dem Diagramm gemäß Fig. 18 wird ein Vergleich zwischen der Isolierung, der Temperatur des W asser speie her tanks, der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Kollektorgehäuses des erfindungsgemäßen Kollektors durchgeführt, wobei ersichtlich ist, daß der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des Kollektorgehäuses und der Durchschnittstemperatur des im Speichertank befindlichen Wassers für eine Periode relativ konstanter Isolierung bei etwa 8 C verbleibt.

Im Regelfall kann bei einem Vergleich der Charakteristiken des erfindungsgemäßen Kollektors mit denjenigen eines konventionellen

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Sonnenenergiekollektors festgestellt werden, daß das beschriebene Kollektorgehäuse unter der Voraussetzung, daß bei der Auswahl des im Kollektor zu verwendenden Arbeitsfluids entsprechende Sorgfalt angewendet wird, aus jedem geeigneten Metall hergestellt werden kann, während bei den konventionellen Kollektoren als Material hierfür normalerweise lediglich Kupfer geeignet ist. Weiterhin eignet sich der beschriebene Kollektor in außerordentlich großem Ausmaß zu Massenherstellungszwecken, während sich die Herstellung der konventionellen Kollektoren außerordentlich arbeitsintensiv gestaltet, wobei weiterhin hinzukommt, daß der beschriebene Kollektor eine geringere thermische Masse als ein konventioneller Kollektor besitzt. Es konnte außerdem festgestellt werden, daß sich der beschriebene Kollektor für sämtliche auf der Erde vorhandenen Klimazonen eignet, vorausgesetzt, daß jeweils ein geeignetes Arbeitsfluid verwendet wird, während demgegenüber sich die meisten konventionellen Kollektoren in solchen Klimazonen als ungeeignet erwiesen, in denen die Umgebungstemperaturen bis unter 0 C abfallen, da dann das Wasser in den Rohren gefriert und ein Reißen bzw. Zerstören der Verbindungsstellen zwischen den verschiedenen Bauteilen bewirkt. Im Regelfall ist der Druckabfall im Kollektorgehäuse des beschriebenen Kollektors geringer als bei den konventionellen Kollektoren, wobei der beschriebene Kollektor sich zur Anwendung in Verbindung mit Hochdruckwassersystemen eignet, was für konventionelle Kollektoren nicht der Fall ist. Es wurde außerdem festgestellt, daß sich die Reinigung des im beschriebenen Kollektor vorgesehenen Kondensationsrohres außerordentlich einfach gestaltet, was im Gegensatz zu der außerordentlich großen Schwierigkeit steht, mit der normalerweise die Rohre innerhalb eines konventionellen Kollektors, wenn sie einmal verschmutzt sind, gereinigt werden können. Wenn schließlich eine Vielzahl von Kollektoren zur Eildung eines Gesamtkollektorsystems miteinander kombiniert sind, hat eine Störung bzw. der

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Ausfall eines einzelnen Kollektors innerhalb des Systems, wenn die beschriebenen Kollektoren zur Anwendung gelangen, üblicherweise nur eine minimale Auswirkung auf die Arbeitsweise des Gesamtsystems, während ein derartiger Ausfall eines einzelnen Kollektors bei konventionellen Systemen üblicherweise auch das gesamte System nachteilig beeinflußt.

Der beschriebene Kollektor wirkt üblicherweise als thermische Diode, welche die Wärmeübertragung lediglich in einer einzigen Richtung zuläßt, während der Kollektor dann, wenn keinerlei Dampf das Kondensationsrohr umgibt, wirksam in einem Vakuum eingeschlossen ist, so daß lediglich äußerst geringe Wärmeverluste auftreten. Bei den konventionellen Systemen ergibt sich jedoch stets eine Thermo-Siphonwirkung, wenn nicht in arbeits- und kostenaufwendiger Weise innerhalb des Systems Rückschlagventile installiert sind.

Zusammenfassend lassen sich mit den beschriebenen Ausführungsformen des Kollektors die folgenden hauptsächlichen Vorteile erzielen:

a) Da das bei dem beschriebenen Kollektor zur Anwendung ge

langende Wärmeübertragungssystem ein "geschlossenes" System ist, ist es möglich, anstelle von Wasser andere Arbeitsfluide zu verwenden. Auf diese Weise können ansonsten auftretende Korrosionsprobleme fast vollständig eliminiert werden,und es verbleibt auch nur eine außerordentlich geringe Anzahl von konstruktiven oder sonstigen Beschränkungen hinsichtlich der Auswahl der für die Kollektorkonstruktion zu verwendenden Materialien.

b) Unter der Voraussetzung, daß geeignete Arbeits- und Speieherfluide zur Anwendung gelangen, ist es möglich, Flüssigkeits-

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speicliertemperaturen zu erreichen, die sich der Temperatur des Kollektorgehäuses (110 - 120 C) annähern. Der Umstand, ob noch höhere Temperaturen erreicht werden können, hängt weitgehend einerseits von Wärmeverlusten der Kollektoroberf lache und andererseits von der Selektivität der Übe rf Iac lie des Kollektorgehäuses ab, wie in dein Artikel "Λ new selectiv*! surface" von Horowitz und Watson-Monroe in Proc·. Syni. Int.S. I Soc. Anz, Juni 197IJ, beschrieben.

c) Aufgrund der geringen thermischen Masse des Systems und der schnellen Wärmeübertragung vom Kollektor zum Speicher läiit sieh an Tagen mit abwechselnder Uewölkung eine wirksamere Ausnutzung des Sonnenlichtes erzielen*.

d) Aufgrund der konstruktiven Hobustheit bzw. Widerstandsfähigkeit und Einfachheit des beschriebenen Kollektors kann dieser leicht in bestehende (J.'bäudedächer eingebaut werden oder aber selbst vollständige Üaclisysteme bilden.

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Claims

Patentansprüche

,1., Sonnenenergiekollektor, gekennzeichnet durch ein geschlossenes Gehäuse (1,2; 30, 31) mit einem hierdurch begrenzten, zur Aufnahme eines Arbeitsfluids vorgesehenen Raum (3; 20; 32, 35), der in einen Dampfraum (10, 21, 38) mündet, in den das Arbeitsfluid beim mittels Aussetzen einer Fläche (S) des den Arbeitsfluidrauin begrenzenden Gehäuses gegenüber Sonnenstrahlung erfolgtem Erhitzen verdampfbar ist, wenigstens einem Kondensationsrohr (11, 22, 41), das in direkter thermischer Berührung mit dem Dampfraum steht und durch das die zu erhitzende Flüssigkeit strömt.und einer Einrichtung (4 - 8; 36, 37) zum Zurückführen il»s kondensierten Dampfes aus dem Dampfraum in den Arbeitst luidraum.
2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensationsrohr (11, 22, 41) mit der Außenfläche der Wand des den Dampfraum (10, 21, 38) bildenden Teiles des Gehäuses (1, 2; 30, 31) verbunden ist.
3. Kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensationsrohr (11, 22, 41) innerhalb einer nach außen gerichteten Nut angeordnet ist, die in dem den Dampfraum (10, 21, 38) begrenzenden Teil des Gehäuses (1, 2; 30, 31) gebildet ist.
4. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensationsrohr (22, 41) sich in den Dampfraum (21, 38) hinein sowie durch diesen hindurch erstreckt.
5. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4 - 8; 36, 37) /um Zurückführen des konden-

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sierten Dampfes Kanäle (5 - 8; 37) aufweist, die innerhalb des Gehäuses (1, 2; 30, 31) gebildet sind un.l sich vom Dampfraum (10, 21, 38) bis zu einer Stelle nahe dem entgegengesetzten Ende des Arbeitsfluidraumes (3; 20; 32, 35) erstrecken.
6. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus zwei Metallblechen (1, 2; 30, 31) gebildet ist, die entlang ihren Unifangskanten abgedichtet miteinander verbunden und zur Bildung des Arbeitsfluidraumes (3; 20; 32, 35) im Abstand zueinander angeordnet sind.
7. Kollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfraum (10, 21, 38) durch eine nach außen gerichtete Einprägung bzw. Vertiefung in wenigstens einem der Metallbleche (1,2; 30, 31) begrenzt bzw. gebildet ist.
8. Kollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Metallblech (2) zum Begrenzen des Arbeitsfluidraumes und zum Imabstandvoneinanderhalten der beiden Metallbleche (1, 2) nach oben ragende Rippen (3) und das obere Metallblech (1) zur Begrenzung des Dampf raunies eine nach außen gerichtete Vertiefung bzw. Einprägung (10) aufweist und daß die Einrichtung (4-8) zum Zurückführen des kondensierten Dampfes eine Vielzahl von Kanälen (5-8) besitzt, die im unteren Metallblech (2) gebildet sind und vom Dampfraum zu einer Stelle nahe dem entgegengesetzten Ende des Arbeitsfluidraumes verlaufen (Fig. 1 bis 5).
9. Kollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der den Dampfraum bildenden Einprägung (10) wenigstens eine nach außen gerichtete Nut (12) zur Aufnahme eines Kondensationsrohres (11) aufweist.

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10. Kollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Metallblech (2) zur Bildung bzw. Begrenzung des Arbeitsfluidraumes und zum Imabstandvoneinanderhalten der beiden Metallbleche (1, 2) eine Vielzahl nach oben ragender Vertiefungen (20) und das obere Metallblech (1) zur Bildung des Dampfraumes eine nach außen gerichtete Einprägung (21) aufweist und daß die Einrichtung (4-8) zum Zurückführen des kondensierten Dampfes eine Vielzahl von Kanälen (5-8) besitzt, die im unteren Metallblech (2) gebildet sind und vom Dampfraum zu einer Stelle nahe dem entgegengesetzten Ende des Arbeitsfluidraumes verlaufen (Fig. 6-8).
11. Kollektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens ein Kondensationsrohr (22) in den Dampf raum (21) hinein und durch diesen hindurch erstreckt.
12. Kollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Metallblech (31) eine Vielzahl parallelverlaufender, abwechselnd eine größere und kleinere Breite besitzender Wellungen(32, 36) besitzt, deren innere Enden an die Fläche des oberen Metallbleches (30) anschlagen und die beiden Metallbleche (30, 31) im Abstand voneinander halten, wobei die breiteren Wellungen (32) eine Vielzahl von Räumen bzw. Kanälen (35) hauptsächlich zur Aufnahme des Arbeitsfluids und die schmaleren Wellungen (36) eine Vielzahl von Kanälen (37) hauptsächlich zum Rücklauf des Kondensats bilden, und daß das obere Metallblech (30) eine nach außen gerichtete Einprägung (38) zur Begrenzung des Dampfraumes, in den sowie durch diesen hindurch sich wenigstens ein Kondensationsrohr (41) erstreckt, sowie am entgegegengesetzten Ende eine nach außen gerichtete Einprägung (39) aufweist, die einen die Kondensatrücklaufkanäle (37) mit den Arbeitsfluidräumen (35) verbindenden Kanal bildet (Fig. 9-13).

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13. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (42) einen Behälter aufweist, der an einer Fläche offen ist und in dem das geschlossene Kollektorgehäuse angeordnet ist, wobei das Kollektorgehäuse an seiner Unterseite sowie an seinen Seitenflächen und Stirnflächen durch eine Schicht (51) aus Isoliermaterial umgeben ist, und daß die offene Seite des Behälters durch wenigstens eine Scheibe (49) aus für Sonnenstrahlung durchlässigem Material verschlossen ist (Fig. 14-16).
14. Kollektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material (49) zäh gemachtes Glas ist.

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