DE3309252A1

DE3309252A1 - Sonnenkollektor

Info

Publication number: DE3309252A1
Application number: DE19833309252
Authority: DE
Inventors: Simonne Heusdains; Lucien Kinnaer; Paul Vandeplas
Original assignee: Centre dEtude de lEnergie Nucleaire CEN
Current assignee: Centre dEtude de lEnergie Nucleaire CEN
Priority date: 1982-03-17
Filing date: 1983-03-15
Publication date: 1983-10-06
Also published as: GB2117109A; LU84694A1; NL8300793A; GB8307326D0; DE3309252C2; GB2117109B

Description

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektor oder -sensor mit einer absor-
bierenden Platte, die auf einer Seite mit wenigstens einer lichtabsorbierenden Schicht versehen ist und innen wenigstens einen Strömungskanal für ein Wärmeübertragungsfluid sowie einen Einlaß und einen Auslaß für das Fluid aufweist, die über den Strömungskanal miteinander verbunden sind, und mit einem die absorbierende Platte umschließenden, zumindest teilweise lichtdurchlässigen und mit einem thermisch isolierenden Gas gefüllten Gehäuse.
Ein Sonnensensor dieser Art ist in der FR-A-2 343 208 beschrieben. Das thermisch isolierende Gas im Gehäuse weist hierbei atmosphärischen Druck auf.
Dies trifft auch auf einen aus der DE-A 2 610 370 bekannten Sonnensensor zu.
Ein Ziel der Erfindung ist es, einen Sonnensensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der gegenüber den bekannten Sonnensensoren einen noch höheren Wirkungsgrad besitzt.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Gehäuse mit einem Gas gefüllt ist, das einen Temperaturleit-0 fähigkeits-Koeffizienten von höchstens 0,015 W/m°C besitzt, und der Druck des Gases kleiner als der atmosphärische Druck ist.
Vorteilhafterweise liegt der Gasdruck im Bereich von 10 bis 100 Millibar.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante besteht darin, daß die absorbierende Platte beidseitig von einer selektiven Absorptionsschicht überzogen ist, daß das Gehäuse auf beiden Seiten zumindest örtlich aus lichtdurchlässigem Material besteht und daß ein thermisch isolierendes Gas mit einem Druck, der geringer als der atmosphärische Druck ist, zu beiden Seiten der absorbierenden Platte zwischen dieser und dem Gehäuse vorgesehen ist.
Die bekannten Sonnensensoren funktionieren einseitig Die absorbierende Platte ist auf einer einzigen Seite durch ein isolierendes Material verdeckt, wobei sich das thermisch isolierende Gas nur auf der anderen Seite befindet, die mit e, 7er kleinen, thermisch isolierenden Schicht überzogen ist.
aufgrund einer zweiseitigen Wirkungsweise kann der Sonnensensor beim Vorliegen von weißen Reflektoren oder Spiegelreflektoren im Vergleich zu einem einseitig funktionierenden Sensor einer um 50 bis 80 % höheren Illumination bzw.
Beleuchtungsstärke sowohl bei diffusem Licht als auch bei direkter Lichteinstrahlung ausgesetzt werden.
Sonnensensoren mit einer auf den beiden Seiten aktiven absorbierenden Platte sind an sich bekannt, so beispielsweise aus der FR-A- 2 357 832 (Ausführungsvarianten gemäß Fig.
10 und 11). Die Sensoren sind jedoch nicht von einem thermisch isolierenden Gas unter vermindertem Druck gefüllt, was zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrades eines auf den beiden Seiten aktiven Sonnensensors im Vergleich zu einem einseitig aktiven Sonnensensor erforderlich ist.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht eines Sonnensensors, Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Sonnensensors nach Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 eine Vorderansicht des Sonnensensors in kleinerem Maßstab und teilweise gebrochen, Fig. 4 eine Schnittdarstellung nach Linie IV-IV in Fig. 3 in größerem Maßstab, und Fig. 5 eine Schnittdarstellung nach Linie V-V in Fig. 3, wobei derselbe Maßstab wie in Fig. 4 vorliegt.
In den Figuren sind einander entsprechenden Teilen gleiche Bezugs zeichen zugeordnet.
Das Gehäuse 2 ist im wesentlichen aus einem rechteckigen Rahmen 3 und zwei Platten 4 aus gehärtetem <tremp6) Glas gebildet. Der Rahmen 3 ist aus vier omegaförmigen Weichstahlprofilen zusammengesetzt, die mit ihrer öffnung nach außen gerichtet und an den Ecken miteinander verschweißt sind.
Diese Profile sind mit ihren nach außen gerichteten Rändern gegenüber den Seitenwänden bzw. -flächen der Platten 4 angeordnet. Diese sind mit dem Rahmen 3 mittels Thiokol und Silikongummi 5 luftdicht verklebt.
Dieses Gehäuse 2 ist vertikal mit seiner Längsrichtung horizontal auf einem Grundteil, beispielsweise einem Dach angeordnet. Dieses Grundteil und dieses Dach sind vorzugsweise mit einem reflektierenden Material überzogen, wobei an der Seite des Sonnensensors auf diesem Grundteil Reflektoren vorgesehen sein können, so daß der Sonnensensor möglichst viel Sonnenlicht empfängt. Das Gehäuse 2 ist auf der Außenfläche der beiden oberen Ecken seines Rahmens 3 mit zweiangeschweißten Bügeln 6 versehen. Diese dienen beispielsweise zum Ergreifen des Sensors bei dessen Verlagerung bzw.
Transport, zum Anschluß von Elektroden bei einer elektrochemischen Behandlung der im Rahmen 3 eingesetzten Platte 1 während der Herstellung des Sensors und zur Befestigung des Sensors beispielsweise an einer vertikalen Wand.
Auf der Innenseite des Rahmens 3 sind an verschiedenen Stellen Stütz- bzw. Tragelemente 7 für die absorbierende Platte 1 angeschweißt. Diese Stützelemente 7 sind Winkelprofile, deren Rippe senkrecht zu den Platten 4 verläuft. Die Winkelprofile 7 sind mit ihren zu dieser Rippe parallelen Rändern an der Innenfläche des Rahmens 3 angeschweißt, wobei ihr Winkel nach innen gerichtet ist. Dieser Winkel bzw. Winkelabschnitt ist mit einem Einschnitt versehen, in den ein Rand der absorbierenden Platte 1 eingesetzt ist.
Im unteren Profil des Rahmens 3 sind noch zwei öffnungen 9 9 10 für einen Einlaß 11 bzw. einen Auslaß 12 der absorierenden Platte 1 ausgebildet.
Diese absorbierende Platte ist eine ebene Radiatorplatte aus Weichstahl oder Kupfer, die beidseitig mit einer selektiv absorbierenden Schicht überzogen ist, die einen hohen Absorptionskoeffizienten und eine geringe Emissionsstärke bzw. ein geringes Emissionsvermögen besitzt. Die absorbierende Platte ist aus zwei rechteckigen Platten 13 gebildet, die über ihre Ränder 14 über den gesamten Außenumfang miteinander verschweißt sind. Zwischen den Längsrändern 14 sind in den Platten 13 sich in Querrichtung erstreckende Einrückungen bzw. Eindrückungen 15 ausgebildet, an deren Stelle die Platten 13 wiederum miteinander verschweißt sind.
Auf diese Weise wird in der absorbierenden Platte 1 auf der oberen Seite ein Zuflußraum 16 und auf der unteren Seite ein Abflußraum 17 geschaffen, wobei diese beiden Räume 16 und 17 durch die Kanäle 18, die zwischen den Einrückungen 15 ausgebildet sind, miteinander in Verbindung stehen. Die absorbierende Platte 1 tritt über die verschweißten Ränder 14 in die Stützelemente 7 ein. Bei einer thermischen Kontraktion bzw. Ausdehnung kann die Platte 1 sich in den Stützelementen 7 hin- und herbewegen. Der Einlaß bzw. die Zuführung 11 mündet in den Eintrittsraum 16 und erstreckt sich im Gehäuse 2 von der öffnung 9 aus längs der absorbierenden platte nach oben. An der Stelle dieser öffnung ist der Einlaß 11 mit einem Anschluß 19 für eine Leitung einer Solarenergie-Einrichtung versehen. Der Auslaß 12 erstreckt sich zwischen dem Austrittsraum 17 und der öffnung 10 und ist an der Stelle dieser öffnung entsprechend mit einem Anschluß 19 zur Verbindung des Auslasses 12 mit der Leitung einer Solarenergie-Einrichtung versehen. Die Anschlüsse 19 sind mit dem Rahmen derart verschweißt, daß sie eine hermetische Abdichtung der Öffnungen 9 und 10 sicherstellen.
Sie werden während der zuvor beschriebenen elektrochemischen Behandlung der absorbierenden Platte 1 als elektrische Kontakte verwendet.
Die selektive Absorptionsschicht, mit der die absorbierende Platte 1 überzogen ist, wird in Abhängigkeit von dem Metall gewählt, aus dem die Platten 13 hergestellt sind. Diese Schicht besitzt vorzugsweise einen Absorptionskoeffizienten größer als 0,9 und eine Emissionsstärke bzw. ein Emissionsvermögen kleiner als 0,1. Diese Schicht muß einer Hitze bis 0 zu Temperaturen von etwa 300 C standhalten. Die Platten 13 können aus Stahl gefertigt sein, wobei in diesem Falle ein geeigneter Absorptionsbelag gebildet ist durch eine Kupferschicht, die einer leichten chemischen Oxidation bis zur Bildung eines mattschwarzen Cu2O ausgesetzt wurde, durch Zinkchromatoxid auf Zink, oder durch Chromoxid auf Nickel oder Kupfer. Die Platten 13 können aus Kupfer gefertigt sein, wobei in diesem Falle eine geeignete absorbierende Schicht eine Chromoxid- oder Kupferoxidschicht ist.
Der Raum zwischen der absorbierenden Platte 1 und dem Gehäuse 2 ist ein vollständig hermetisch abgeschlossener Innenraum. Dieser Raum ist mit einem Gas gefüllt, das einen Temperaturleitfähigkeits-Koeffizienten von höchstens 0 0,015 W/m C besitzt, wobei der Gasdruck deutlich geringer als der atmosphärische Druck ist. Der Gasdruck liegt beispielsweise zwischen 10 und 100 Millibar und vorzugsweise bei etwa 20 Millibar. Bevorzugte bzw. geeignete Gase sind: Krypton, Xenon, Kohlenwasserstoffverbindungen wie beispielsweise C6H6, C6H12 und Chlorkohlenwasserstoffverbindungen wie CHCl3, Freon und CCl4.
Um zu vermeiden, daß die Glasplatten 4 unter der Wirkung des im Gehäuse 2 vorherrschenden Unterdrucks sich deformieren oder sogar brechen, sind diese Platten im Innern der Umrahmung 3 mittels Abstandshalter 20 auseinandergehalten.
Diese Abstandshalter 20 sind aus einem mittleren, sich erweiternden und wieder verjüngenden Teil und zwei sich daran anschließenden konischen Fußstücken gebildet, die sich mit ihrem großen runden Grundabschnitt an den Innenflächen der Glasplatten 4 abstützen. Die Abstandshalter 20 treten mit ihrem mittleren Teil bzw. Körper quer durch Öffnungen 21 in de- absorbierenden Platte 1 frei hindurch. Diese Öffnungen w1 sind an der Stelle einer Einrückung oder Eindrückung 15 vorgesehen, die an der Stelle einer öffnung 21 leicht verbreitert ist. Die Öffnungen 21 grenzen somit nicht an die Innenseite der absorbierenden Platte 1 an, d.h. sie münden nicht in die Kanäle 18 dieser absorbierenden Platte. Die Öffnungen 21 und somit auch die Abstandshalter 20 sind rechteckförmig angeordnet. Die Anzahl der Öffnungen 21 und der Durchmesser des Grundteils bzw. des Bodens der Fußstücke der Abstandshalter 20 hängen von der Stärke der Glasplatten 4 ab. Die konischen Fußstücke der Abstandshalter 20 bestehen aus Polymethylmetacrylat, Polycarbonat oder transparentem Glas, um der Hitze zu widerstehen. Ihr mittleres Teil bzw. Körper ist aus Stahl gefertigt. Die Abstandshalter 20 sind durch die Glasplatten 4 selbst in ihrer Lage gehalten, die durch den höheren Druck außerhalb des Gehäuses 2 gegeneinander gedrückt werden.
Die Öffnungen 21 besitzen einen Durchmesser, der größer als der Querschnitt des sie quer durchdringenden Abschnitts der Abstandshalter 20 ist; er ist derart gewählt, daß die Abstandshalter keinerlei Kontakt mit der absorbierenden Platte 1 haben und diese Platte sich auch unter dem Einfluß von Temperaturschwankungen frei ausdehnen kann. Diese Ausdehnung kann sehr groß sein, da die Temperatur der absorbierenden Platte 1 bei maximaler Sonneneinstrahlung ohne Platten-0 kühlung etwa 300°C erreichen kann.
Da die absorbierende Platte 1 mit ihren Rändern mit einem bestimmten Spiel in die Einschnitte 8 der Stützelemente 7 eintritt und damit bezüglich dieser Stützelemente 7 leicht gleitbar ist, können diese Stützelemente eine solche Ausdehnung nicht mehr verhindern.
Der Sonnensensor ist beispielsweise für herkömmliche Wärmeübertragungsfluide wie beispielsweise Wasser geeignet. Im Zuführraum 16 kann eine sich an den Einlaß 11 anschließende Verteilereinrichtung angeordnet sein. Da der Sonnensensor vertikal angeordnet und die absorbierende Platte beidseitig von einem absorbierenden Belag überzogen ist, empfängt der Sensor sowohl bei direkter Einstrahlung als auch bei diffusem Licht relativ viel Solarenergie. Diese Energiemenge kann noch dadurch erhöht werden, daß der Sonnensensor senkrecht auf einem weißen Reflektor angeordnet wird oder Reflektoren gegen den Sonnensensor gerichtet werden.
Dadurch, daß der Raum zwischen der absorbierenden Platte 1 und dem Gehäuse 2 von einem Gas mit kleinem Temperaturleitfähigkeits-Koeffizienten und geringem Druck gefüllt ist und die absorbierende Platte praktisch keinen Kontakt mit dem Gehäuse 2 hat, ist die Wärmeübertragung zwischen der absorbierenden Platte 1 und dem Gehäuse 2 äußerst gering. Somit ist der Wirkungsgrad des Sonnensensors auch bei hohen Arbeitstemperaturen groß. So beträgt bei einer Verwendung einer absorbierenden Platte aus Weichstahl, die vernickeln und mit einer Chromoxidschicht versehen ist, und die einen Absorptionskoeffizienten von 0,94 und eine Emissionsstärke von 0,1 besitzt, und wobei'ein Raum zwischen der absorbierenden Platte und dem Gehäuse 2 mit CHCl3 bei 20 Millibar gefüllt ist, der Temperaturleitfähigkeits-Koeffizient zwischen der absorbierenden Platte 1 und der Außenluft nur 0,9 W pro m2 des Gehäuses und pro °C, was einem Wärmeverlustkoeffizienten von 2 Watt pro m2 der absorbierenden Platte und pro Oc entspricht.
Es ist offensichtlich, daß der Sonnensensor auch einseitig verwendbar ist, z.B. auf schrägen Dächern. In einem solchen Falle können die Wärmeverluste dadurch vervennindert werden, daß zwischen die nicht verwendeten Flächen der absorbierenden Platte 1 und der Glasplatte 4 auf der gegenüberliegenden Seite eine dünne Aluminiumfolie und/ oder eine Glasfaserschicht eingelegt wird.
Leerseite

Claims

Sonnenkollektor Patentan sprüche 1. Sonnenkollektor mit einer absorbierenden Platte, die auf einer Seite mit wenigstens einer lichtabsorbierenden Schicht versehen ist und innen wenigstens einen Strömungskanal für ein Wärmeübertragungsfluid sowie einen Einlaß und einen Auslaß für das Fluid aufweist, die über den Strömungskanal miteinander verbunden sind, und mit einem die absorbierende Platte umschließenden, zumindest teilweise lichtdurchlässigen und mit einem thermisch isolierenden Gas gefüllten Gehäuse, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Gehäuse (2) mit einem Gas gefüllt ist, das einen Temperaturleitfähigkeits-Koeffizienten von höchstens 0,015 W/mOC besitzt, und daß der Druck des Gases kleiner als der atmosphärische Druck ist.
2. Sonnenkollektornach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Gasdruck im Bereich von 10 bis 100 Millibar liegt.
3.Sonnenkollektor nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Gasdruck etwa 20 Millibar beträgt.
4.Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die absorbierende Platte (1) beidseitig von einer selektiven Absorptionsschicht überzogen ist, daß das Gehäuse (2) auf beiden Seiten zumindest örtlich aus lichtdurchlässigem Material besteht und daß ein thermisch isolierendes Gas mit einem Druck, der geringer als der atmosphärische Druck ist, zu beiden Seiten der absorbierenden Platte zwischen dieser und dem Gehäuse vorgesehen ist.
5. Sonnenkollektornach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Gehäuse (2) einen Rahmen (3), zwei Seite an Seite auf diesem angebrachte lichtdurchlässige Platten, die zusammen mit dem Rahmen (3) einen hermetisch abgeschlossenen Raum bilden, sowie Abstandshalter (20) umfaßt, die die beiden lichtdurchlässigen Platten (4) auseinanderhalten, wobei die absorbierende Platte (1) für diese Abstandshalter (20) öffnungen (21) besitzt, die vollständig seitlich ihres Strömungskanals (18) liegen und durch die sich die Abstandshalter quer hindurcherstrecken, ohne die absorbierende Platte zu berühren.
6. Sonnenkollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die absorbierende Schicht einen Absorptionskoeffizienten größer als 0,9 und eine Emissionsstärke bzw. ein Emissionsvermögen kleiner als 0,1 besitzt.
7.Sonnenkollektor nach Anspruch 6, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß die absorbierende Platte (1) aus Stahl besteht und die absorbierende Schicht durch eine der folgenden Zusammensetzungen gebildet ist: Kupferoxid auf Kupfer, Zinkchromatoxid auf Zink, Chromoxid auf Nickel und Chromoxid auf Kupfer.
d.Sonnenkollektor nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die absorbierende Platte (1) aus Kupfer besteht und die absorbierende Schicht eine Chromoxid- oder Kupferoxid-Schicht ist.
9. Sonnenkollektornach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die absorbierende Platte (1) derart im Gehäuse (2) eingesetzt ist, daß eine freie thermische Ausdehnung der Platte möglich ist.