DE2620976A1

DE2620976A1 - Energy absorber for solar radiation - using air in cross-flow in a two pass system

Info

Publication number: DE2620976A1
Application number: DE19762620976
Authority: DE
Inventors: Aage Rolf Dipl Ing Amundsen
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1976-05-12
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1977-11-24
Also published as: NO140542C; NO762763L; NO140542B

Abstract

In a solar energy absorber heat is transferred to an air stream which flows in a two-pass pattern, first across the absorber above a baffle plate and then returning below the same baffle. Used for solar heating systems for buildings. Device provides increased energy collection efficiency, lower air flow with consequent increase in air outlet and reduced noise level.

Description

Energiewandler für SonnenstrahlungEnergy converter for solar radiation

Die Erfindung bezieht sich auf einen Energiewandler für Sonnenstrahlung mit einem Absorber als Wärmeaustauscher und einem gasförmigen Energieträger, vorzugsweise Luft.The invention relates to an energy converter for solar radiation with an absorber as a heat exchanger and a gaseous energy carrier, preferably Air.

Unter der Bezeichnung Sonnenkollektoren sind Einrichtung bekannt, die Sonnenstrahlen absorbieren, in Wärme umwandeln und mit Hilfe eines Energieträgers transportieren. Als Absorber dient im allgemeinen ein metallischer Wärmeaustauscher, der die absorbierte Strahlungswärme auf einen Energieträger, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas, überträgt. Dieser Energieträger kann die Wärme direkt speichern oder sie transportieren und verteilen.Under the designation solar collectors are known devices, absorb the sun's rays, convert them into heat and with the help of an energy carrier transport. A metallic heat exchanger is generally used as the absorber, which transfers the absorbed radiant heat to an energy carrier, for example a Liquid or gas. This energy source can direct the heat store or transport and distribute them.

In einem Energiewandler für Sonnenstrahlung mit einem gasförmigen Energieträger wird im allgemeinen Luft zur Abführung der absorbierten Wärme verwendet. Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad solcher Wandler wesentlich beeinflußt wird durch die Luftfördermenge und die Temperaturdifferenz zwischen der Kollektortemperatur und der Umgebungstemperatur. Je höher die Temperatur des Absorbers ist, desto niedriger ist der Wirkungsgrad des Wandlers, weil die Verluste etwa proportional mit der Differenz zwischen der Temperatur des Wärmeaustauschers und der Umgebungstemperatur, d.h. im allgemeinen der Eintrittstemperatur der Luft, ansteigen.In an energy converter for solar radiation with a gaseous one Air is generally used as an energy carrier to dissipate the absorbed heat. It is known that the efficiency of such converters is significantly affected by the air flow rate and the temperature difference between the collector temperature and the ambient temperature. The higher the temperature of the absorber, the lower is the efficiency of the converter because the losses are roughly proportional to the difference between the temperature of the heat exchanger and the ambient temperature, i.e. generally the inlet temperature of the air, increase.

Ferner wird der Wirkungsgrad des Wandlers wesentlich beeinflußt durch die Luftfördermenge. Der Wärmeaustauscher befindet sich im allgemeinen in.einem abgeschlossenen und gut wärmeisolierten System, das mit einer für Sonnenstrahlen durchlässigen Abdeckscheibe, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff, versehen ist.Furthermore, the efficiency of the converter is significantly influenced by the air flow rate. The heat exchanger is generally in.einem closed and well insulated System that works with a for Cover pane that is permeable to the sun's rays, for example made of glass or plastic, is provided.

Diese Abdeckscheibe nimmt insbesondere bei geringer Luftfördermenge durch Emission vom Absorber und vor allem durch Wärme leitung aus der Luft einen Teil der eingestrahlten Wärme auf.This cover plate is particularly effective when the air flow rate is low through emissions from the absorber and above all through heat conduction from the air Part of the radiated heat.

Diese Wärme wird an die Umgebung abgegeben und bedeutet für den Energiewandler einen Verlust. Der Wirkungsgrad wird somit entsprechend vermindert.This heat is given off to the environment and means for the energy converter a loss. The efficiency is thus reduced accordingly.

In einer bekannten Ausführungsform des Energiewandlers sind deshalb zwei oder mehrere Abdeckscheiben vorgesehen ("polar Heating and Cooling of Buildings" (Phase 0), Vol. 11, Final Report, TRW Systems Group, 31.5.74, der NTIS). Bei solchen Wandlern mit Doppelverglasung muß aber der Raum zwischen dessen Scheiben luftdicht abgeschlossen sein, damit das Eindringen von Luftfeuchtigkeit und somit die Bildung von Kondenswasser verhindert wird.In a known embodiment of the energy converter are therefore two or more cover plates provided ("polar heating and cooling of buildings" (Phase 0), Vol. 11, Final Report, TRW Systems Group, 5/31/74, from NTIS). In such Converters with double glazing, however, the space between the panes must be airtight be completed, so that the penetration of air moisture and thus the formation condensation is prevented.

Es kann auch eine Isolierglasscheibe zur Abdeckung vorgesehen sein. Solche Isoliersysteme sind aber empfindlich gegen unterschiedliche Wärmedehnungen und deshalb nicht geeignet für hohe Temperaturdifferenzen und außerdem sind sie verhältnismäßig teuer.An insulating glass pane can also be provided for covering. However, such insulation systems are sensitive to different thermal expansions and therefore not suitable for high temperature differences and, moreover, they are relatively expensive.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Energiewandler für Sonnenstrahlung zu schaffen, der auch bei verhältnismäßig kleiner Fördermenge des gasförmigen Energieträgers mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.The invention is therefore based on the object of an energy converter for solar radiation, even with a relatively small flow rate of the gaseous energy carrier works with high efficiency.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Verluste eines Wandlers mit einem gasförmigen Energieträger durch eine besondere Strömungsführung des Energieträgers, vorzugsweise Luft, wesentlich vermindert werden können.The invention is based on the knowledge that the losses of a converter with a gaseous energy carrier through a special flow guidance of the energy carrier, preferably air, can be significantly reduced.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Gegenströmung durch eine Umlenkung für den gasförmigen Energieträger vorgesehen ist. Diese Umlenkung des strömenden Mediums erhält nan in einfacher Weise durch eine für die Sonnenstrahlung durchlässige Umlenkplatte. Die Umlenkplatte befindet sich zwischen dem Absorber und dem der Sonnenstrahlung ausgesetzten und für diese Strahlung durchlässigen Gehäuseteil des Wandlers. Die Luft tritt durch eine Eintrittsöffnung, strömt an der durch geringfügige Absorption der Strahlung erwärmten Umlenkplatte entlang, wird dort vorgewärmt, am Ende der Platte umgelenkt und strömt in entgegengesetzter Richtung über den Absorber oder in besonderen Ausführungsformen des Wandlers auch durch den Absorber und tritt dann durch eine Austrittsöffnung wieder aus. Durch diese Gegenströmung des Energieträgers wird somit die von Absorber zur Umlenkplatte abgeführte Energie wieder aufgenonen und mit dem Luftstrom ausgenutzt. Sie dient zur Vorwärmung der Luft und nan erhält deshalb auch bei geringer Fördermenge einen guten Wirkungsgrad.The stated object is achieved in that a Counterflow through a deflection for the gaseous Energy source is provided. This deflection of the flowing medium is obtained in a simple manner through a deflector plate that is permeable to solar radiation. The baffle is located between the absorber and the one exposed to solar radiation and for this Radiation-permeable housing part of the transducer. The air enters through an inlet opening, flows at the baffle, which is heated by slight absorption of the radiation along, is preheated there, deflected at the end of the plate and flows in the opposite direction Direction via the absorber or, in special embodiments, the converter as well through the absorber and then exits again through an outlet opening. By this counterflow of the energy carrier is thus that from the absorber to the baffle plate Dissipated energy is reabsorbed and used with the air flow. she serves to preheat the air and nan therefore receives one even with a low flow rate good efficiency.

Eine geringe Fördermenge des Energieträgers bedeutet eine höhere Austrittstemperatur und ist fUr verschiedene Verwendungszwecke wertvoller und einfacher zu nutzen. Die geringere Fördermenge kann mit weniger Aufwand, beispielsweise für das erforderliche Gebläse und die Kanalgröße, gefördert werden. Da die F6rderleistung mit der Fördermenge überproportional ansteigt, erhält man auch eine erhebliche Einsparung an zuzuführender Antriebsenergie für die Förderung, beispielsweise den Gebläseantrieb.A low delivery rate of the energy carrier means a higher outlet temperature and is more valuable and easier to use for various purposes. the lower delivery rate can be required with less effort, for example Fan and the duct size. Since the delivery rate with the delivery rate increases disproportionately, there is also a considerable saving in the amount of material to be fed Drive energy for the promotion, for example the fan drive.

Es ergeben sich somit geringere Anlagekosten. Ferner ist die Förderung großer Luftmengen immer mit Geräuschproblemen verbunden und nan ist deshalb auch aus diesem Grunde bestrebt, die Fördermenge klein zu halten.This results in lower investment costs. Furthermore, the promotion large amounts of air are always associated with noise problems and that is why nan is for this reason endeavors to keep the delivery rate small.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers für Sonnenstrahlung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing taken in an embodiment of an energy converter for solar radiation is illustrated schematically according to the invention.

In der Figur ist eine Eintrittsöffnung für einen gasförmigen Energieträger, vorzugsweise Luft, mit 2, ein oberer Strömungs- kanal mit 4, ein unterer Strömungskanal mit 6 und eine Austrittsöffnung mit 8 bezeichnet. Zwischen dem oberen und dem unteren Strömungskanal 4 bzw. 6 befindet sich eine für Sonnenstrahlen durchlässige Umlenkplatte 10. Die in den Wandler eintretenden Sonnenstrahlen sind in der Figur durch Pfeile 12 angedeutet. Der obere Teil des Wandlergehäuses besteht aus einer Abdeckscheibe 14, die für Sonnenstrahlen durchlässig ist. Sie kann beispielsweise mittels eines Profilrahmens 16 auf den Seitenwänden des Wandlergehäuses 18 befestigt, vorzugsweise festgeschraubt sein. Das Wandlergehäuse 18 besteht wenigstens zum Teil aus einem guten Wärmedämmstoff. Zur Absorption der Sonnenstrahlen 12, die durch die Abdeckscheibe 14 und die Umlenkscheibe 10 hindurchtreten, kann in einfacher Weise eine besondere Anstrichfarbe der inneren Oberfläche des Wandlergehäuses 18 vorgesehen sein. Diese Farbe bildet dann dort einen Absorber 20.In the figure is an inlet opening for a gaseous energy carrier, preferably air, with 2, an upper flow channel with 4, one The lower flow channel is denoted by 6 and an outlet opening is denoted by 8. Between the upper and lower flow channels 4 and 6, there is one for sun rays transparent baffle 10. The rays of the sun entering the transducer are indicated in the figure by arrows 12. The upper part of the converter housing consists from a cover plate 14 which is permeable to the sun's rays. For example, you can attached to the side walls of the converter housing 18 by means of a profile frame 16, preferably be screwed tight. The converter housing 18 consists at least in part from a good thermal insulation material. To absorb the sun's rays 12, which through the cover plate 14 and the deflection plate 10 can pass through in a simple manner A special paint color on the inner surface of the transducer housing 18 be provided. This color then forms an absorber 20 there.

Die als Energieträger dienende Luft wird in die Eintrittsöffnung 8 angesaugt und strömt über die Umlenkplatte 10, wird am Ende der Platte umgelenkt und strömt in entgegengesetzter Richtung über den Absorber 20 und tritt durch die Austrittsöffnung 8 wieder aus, wie in der Figur durch Pfeile angedeutet ist.The air serving as an energy carrier is fed into the inlet opening 8 sucked in and flows over the deflection plate 10, is deflected at the end of the plate and flows in the opposite direction over the absorber 20 and passes through the Outlet opening 8 again, as indicated in the figure by arrows.

Die Umlenkscheibe 10 und die Abdeckscheibe 14 können beispielsweise jeweils aus einer etwa 4 mm dicken Glasplatte bestehen und so parallel zueinander angeordnet sein, daß sie einen Strömungskanal mit einer Höhe von wenigen cm bilden. Das der Eintrittsöffnung 2 gegenüberliegende Ende der Umlenkplatte 10 befindet sich wenige cm, vorzugsweise etwa 2 bis 3 cm, von der Seitenwand des Gehäuses 18 entfernt. Durch den dort gebildeten Spalt sind die beiden Strömungskanäle 4 und 6 miteinander verbunden.The deflection disk 10 and the cover disk 14 can, for example each consist of an approximately 4 mm thick glass plate and so parallel to each other be arranged so that they form a flow channel with a height of a few cm. The end of the deflection plate 10 opposite the inlet opening 2 is located a few cm, preferably about 2 to 3 cm, from the side wall of the housing 18. The two flow channels 4 and 6 are connected to one another through the gap formed there tied together.

Durch die warme Luft und durch Abstrahlung von der Absorberfläche 20 erwärmt sich die Umlenkscheibe 10. Von der Unlenkscheibe wird die Wärme zum größten Teil an die im Strönungskanal 4 vorbeiströmende Luft abgegeben und damit dem Energie- träger wieder zugeführt. Die gesamten Wärmeverluste bleiben somit auch bei hoher Temperatur der am Ausgang 8 austretenden Luft gering. Eine hohe Austrittstemperatur bedeutet eine geringe Fördermenge und nan kann somit auch in diesem Arbeitsbereich einen hohen Wirkungsgrad erwarten.Through the warm air and radiation from the absorber surface 20 heats up the deflecting pulley 10. The heat from the deflecting pulley is the greatest Part of the air flowing past in the flow channel 4 and thus the energy carrier fed back. The total heat losses therefore remain even at a high temperature the air exiting at outlet 8 is low. A high outlet temperature means a small delivery rate and nan can therefore also be used in this work area expect high efficiency.

Auch bei großen Luftmengen bleibt die Erwärmung dieses Energieträgers gering und somit bleiben auch die Verluste bei diesem Wandler mit einer einfachen Abdeckscheibe 14 niedrig und man erhält einen entsprechend hohen Wirkungsgrad.Even with large amounts of air, the heating of this energy source remains low and thus the losses remain with this converter with a simple one Cover plate 14 low and a correspondingly high level of efficiency is obtained.

In der Anordnung nach der Erfindung wird die Feuchtigkeit zwischen den beiden Scheiben 10 und 14 sofort mit den Luftstrom nitgerissen. Kondenswasser, das sich zwischen der Umlenkplatte und der Abdeckscheibe bilden könnte, wird mit dem Luftstrom wieder abgeführt.In the arrangement according to the invention, the moisture is between the two disks 10 and 14 immediately torn with the air flow. Condensation, that could form between the baffle and the cover plate, is with discharged again in the air flow.

Da diese beiden Scheiben nicht mechanisch fest miteinander verbunden sind, können sie sich bei starken Temperaturänderungen im wesentlichen frei ausdehnen. Die Gefahr der Zerstörung bei hohen Temperaturen ist deshalb entsprechend gering. Der Rahmen 16 wird zweckmäßig so bemessen sein, daß er die erforderliche Wärmeausdehnung der Abdeckscheibe 14 zuläßt.Because these two discs are not mechanically firmly connected to each other they can expand essentially freely in the event of large changes in temperature. The risk of destruction at high temperatures is therefore correspondingly low. The frame 16 is expediently dimensioned so that it has the required thermal expansion the cover plate 14 allows.

Die Ausführungsform des Energiewandlers nach der Erfindung hat den Vorteil, daß die Eintrittsöffnung 2 und die Austrittsöffnung 8 für den Energieträger an demselben Ende des Energiewandlers angeordnet werden können. Die beiden Öffnungen können beispielsweise an derselben Stirnfläche oder, wie im AusfUhrungsbeispiel vorgesehen, an verschiedenen Gehäuseflächen am selben Ende vorgesehen sein. Ferner können sie beispielsweise auch an einander gegenüberliegenden Schmalflächen an gleichen Ende angeordnet sein.The embodiment of the energy converter according to the invention has Advantage that the inlet opening 2 and the outlet opening 8 for the energy carrier can be arranged at the same end of the energy converter. The two openings can, for example, on the same face or, as in the exemplary embodiment provided, be provided on different housing surfaces at the same end. Further they can, for example, also be the same on opposing narrow surfaces Be arranged at the end.

Bis zu einer Luftmenge von nindestens 30 m3/m2h ist der Wirkungsgrad dieses Energiewandlers wesentlich größer als der Wirkungsgrad des bekannten Wandlers mit Einfachverglasung. In Arbeitsbereich von etwa 10 bis 20 m3/m2h hat dieser Energiewandler unter gleichen Bedingungen eine Nutzleistung, die etwa 30 % höher ist als die Nutzungsleistung des Wandlers bekannter Bauart.The efficiency is up to an air volume of at least 30 m3 / m2h this energy converter is much larger than that Efficiency of the known converter with single glazing. In a working area of around 10 to 20 m3 / m2h this energy converter has a useful power under the same conditions that is approximately 30% higher than the usage performance of the known type of converter.

In Außtührungsbeispiel ist angenommen, daß als Absorber 20 lediglich eine besondere Ausführungsforn der inneren Oberfläche des Gehäuses 18 dient. Es können aber auch andere, an sich bekannte Ausführungsformen von Absorbern vorgesehen sein, beispielsweise ietallische Rippen, an denen die Luft entlangströlt oder auch einander überlappende Glasplatten, zwischen denen die Luft hindurchströmt sowie ein Geflecht aus absorbierenden Material oder ein poröser luftdurchlässiger Stoff.In Austührungsbeispiel it is assumed that the absorber 20 is only a special embodiment of the inner surface of the housing 18 is used. It however, other known embodiments of absorbers can also be provided be, for example metallic ribs along which the air flows or also overlapping glass plates between which the air flows and a mesh of absorbent material or a porous air-permeable fabric.

3 Patentansprüche 1 Figur L e e r s e i t e3 claims 1 figure L e r s e i t e

Claims

Patent claims 1) Energy converter for solar radiation with an absorber as a 'heat exchanger and a gaseous energy carrier, characterized that a counter flow is provided by a deflection for the gaseous energy carrier is.

2) Energy converter according to claim 1, characterized in that for Deflection of the flowing energy carrier a deflection plate (10) is provided which at least approximately parallel to one exposed to the incident radiation, permeable cover plate (14) is arranged.

3) energy converter according to claim 1 or 2, characterized in that that inlet opening (2) and outlet opening (8) for the energy carrier on the same Are arranged at the end of the energy converter.