DE3237795A1

DE3237795A1 - Vorrichtung zum sammeln von solarwaermeenergie

Info

Publication number: DE3237795A1
Application number: DE19823237795
Authority: DE
Inventors: Yogaku Hiratsuka Kanagawa Iwamoto; Kanichi Atsugi Kanagawa Kadotani
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1982-10-12
Publication date: 1983-04-28
Also published as: FR2514874B1; FR2514874A1; US4566435A

Description

KABUSHIKI KAISHA KOMATSU SEISAKUSHO,

3-6, 2-chome Akasaka, Minato-ku, Tokyo, Japan

Vorrichtung zum Sammeln von Solarwärmeenergie.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sammeln von Solarwä'rme. Vorrichtungen zum Sammeln von Solarwärme können grob unterteilt werden in Systeme mit üblicher indirekter Konversion, bei welchen selektive Wärmeabsorptionsmembranen verwendet werden,und Systeme mit direkter Konversion, bei

welchen eine Substanz, die exzellente Wärmeabsorptionseigenschaften hat, als wärmeabsorbierendes Medium verwendet wird, wobei nach einem neuen Konzept auf das Medium die Sonnenstrahlen direkt gerichtet werden, um deren Wärme aufzunehmen. Ferner gibt es noch das Heizrohrsystem usw.

Das indirekte Konversionssystem basiert jedoch auf dem Prinzip, daß die durch die selektive Wärmeabsorptionsmembrahe aufgenommene Wärme durch Wärmeleitung auf das Medium

übertragen wird, so daß hier der Wirkungsgrad nicht sehr 25

groß ist. Ferner besitzt dieses System den Nachteil, daß es teuer ist, da die Kosten bei der Herstellung der selek-. tiven Wärmeabsorptionsmembrane sehr hoch sind.

Das Heizrohrsystem liegt kostenmäßig sogar noch ungünstiger

als das indirekte Konversionssystem, so daß anzunehmen ist, daß sich diese Systeme kommerziell nicht auszahlen.

.Im Gegensatz hierzu wird im Falle der direkten Konversionsg_B systeme die Solarwärme direkt durch das Wärmeabsorptions-· medium absorbiert, so daß hier keine Wärmeverluste aufgrund der Wärmeübertragung usw. auftreten, welche bei den indirekten Konversionssystemen vorhanden sind.

Der Wirkungsgrad beim Sammeln der Solarwärme bei diesen direkten Konversionssystemen hängt weitgehend von den Eigenschaften des Wärmeabsorptionsmediums ab. Bevorzugte Beispiele von Wärmeabsorptionsmedien sind diejenigen, wie sie in der japanischen Patentanmeldung 56-108854 und der entsprechenden U. S.-Anmeldung vom 14. Juli 1982 der Anmelderin beschrieben sind.

Die in diesen Anmeldungen beschriebenen Wärmeabsorptionsmedien weisen folgende Bestandteile auf:

a) Ein Dispersionsmedium, welches aus der aus Propylen-Glykol, einer Mischung von Propylen-Glykol mit Wasser, einer Mischung von Propylen-Glykol mit Wasser und Glycerin und einer Mischung von Glycerin mit Wasser bestehenden Gruppe gewählt ist,

b) ein Dispersant, welcher aus der aus Polyvinylpyrrolidon, Caramel, und einer Mischung aus Polyvini1 pyrrolidon mit Caramel bestehenden Gruppe gewählt ist, und

c) pulverförmiger Aktivkohle als schwarzes Färbemate'rial.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Sammeln von Solarwärme zu schaffen, welche in der Konstruktion einfach ist und dennoch zu einem verbesserten Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Solarwärme führt,

Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Sammeln von Solarwärme vom direkten Konversionstyp zu schaffen, bei welcher die bei indirekten Konversionstypen auftretenden Wärmeverluste vermieden werden.

Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Sammeln von Solarwärme vorgeschlagen, welche folgende Bestandteile aufweist:

Ein Gehäuse, eine Vielzahl von Solarwärmesammel ro.hreinheiten, welche parallel zueinander in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei jede Rohreinheit aus einem transparenten Außenrohr und einem Innenrohr besteht, welches in dem Außenrohr montiert ist, wobei eine Bodenfläche des Innenrohrs in Berührung mit einer Innenfläche des Außenrohres steht, beide Enden des Innenrohres geschlossen und beide Enden des Außenrohres offen sind und hierdurch einen Medienkanal zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr ausbilden, und ein Paar von Verteilern, welche in dem Gehäuse montiert sind, wobei einer der Verteiler mit den einen Seitenenden der Außenrohre und der andere Verteiler mit den anderen Seitenenden der Außenrohre verbunden ist, wodurch Solarwärmesammelmedium in den Medienkanälen strömen kann.

Vorzugsweise ist eine transparente Verglasung auf dem Gehäuse montiert, um die Vielzahl von Wärmesammeirohreinheiten einzuschließen und die Solarwärmesammelrohreinheiten sind in Abständen zueinander in dem geschlossenen Gehäuse angeordnet.

Diese und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in welcher die Erfindung anhand von in den Zeichnungen beispielhaft veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert wird. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Sammeln von Solarwärme nach vorliegender Erfindung;

Fig.2A eine schematische Schnittansicht der Solarwärmesammel rohreinhei ten , wobei jede Rohreinheit im Abstand zur nächsten angeordnet ist;

bei welcher Fi g.2B eine Ansicht ähnlich Fig. 2A,/jedoch eine andere AusfUhrungsform der Rohreinheiten gezeigt ist, wobei jede Rohreinheit in Berührung mit einer benachbarten Rohreinheit steht;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche den Wirkungsgrad beim Sammeln von Solarwärme von zwei verschiedenen Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zeigt;

Fig. 4 eine teilweise aufgebrochene Schnittansicht in Längsrichtung einer Solarwärmesammelrohreinheit nach vorliegender Erfindung; IO

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform von Solarwärmesammelrohreinheiten in Längsrichtung;

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig.6;

Fig. 8 eine Schnittansicht längs der Linie VIII-VIII von Fig. 7;

Fig. 9 eine Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform von Solarwärmesammelrohreinheit und einen Verteiler aus flexiblem Material; und 25

Fig. 10 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform nach vorliegender Erfindung, bei welcher die Innenrohre und Außenrohr eine elliptische Querschnittsform aufweisen.

In Fig. 1 ist eine perspektivische Gesamtansicht einer Vorrichtung zum Sammeln von Solarwärme nach vorliegender Erfindung gezeigt. Eine Vielzahl von Wärmesammeirohreinheiten

1 sind nebeneinander in einem Kasten 10 angeordnet, wobei 35

beide Enden der Rohre 1 an einen Verteiler oder Verteilerrohr 7 angeschlossen sind. Die obenliegende Fläche des Kastens 10 ist mittels einer Kunststoffscheibe oder Glasscheibe 11 geschlossen und die Seiten u/id Bodenflächen des

Kastens sind vorzugsweise mit Metallfolie überzogen, um den Reflektionswirkungsgrad zu verbessern.

Fig. 2A zeigt eine Querschnittsansicht der Wärmesammeileitungenngemäß Fig. 1, welche im Abstand zueinander angeord net sind und von denen jede aus einem Außenrohr 2 und einem Innenrohr 3 besteht.

Fig. 2B zeigt ein weiteres Beispiel der Anordnung der Rohreinheiten, bei welchen die Wärmesammei rohre direkt in Be rührung nebeneinander angeordnet sind.

Die Vorrichtung zum Sammeln von Solarwärme nach vorliegender Erfindung hat in praktischen Versuchen erwiesen, daß sie Solarwärme in einem Arbeitsbereich mit einem ausgesprochen guten Wirkungsgrad sammeln kann, welcher bisher nicht erreichbar war_; In Fig. 3 ist ein Vergleich zwischen den Solarwärmesammelvorrichtungen nach vorliegender Erfindung und den bekannten Solarwärmesammeleinrichtungen vom Plat tentyp unterVerwendung einer selektiven Absorptionsmembrane gezeigt. Die Kurve A zeigt den Wirkungsgrad beim Wärmesammeln der in Fig. 2A veranschaulichten Vorrichtung, bei welcher die Wärmesammei rohre im Abstand zueinander angeordnet sind, während die Kurve B den Wirkungsgrad der in Fig. 2B veranschaulichten Vorrichtung zeigt, bei welcher die Wärmesammei rohre in Berührung miteinander angeordnet sind. Auf der Abszisse des Diagramms ist (T^_n - ^T _anfj)A aufgetragen, wobei T. die Temperatur (° Celsius) am Einlaß der Wärmesammei Vorrichtung, T , die Umgebungstempera-

anu

tür (° Celsius) und I die gesamte Wärmeisolation (Kcal/m^a • hr) darstellt.

Aus den in Fig. 3 veranschaulichten Kurven ist offensichtlich, daß der Wirkungsgrad der Wärmesammei vorrichtung nach vorliegender Erfindung im Betriebsbereich dem Wirkungsgrad der üblichen Wärmesammeieinrichtungen vom flachen Plattentyp unter Verwendung einer selektiven Wärmeabsorptionsmembrane überlegen ist. Ferner ist aus Fig. 3 offensichtlich,

daß der Wärmesammeiwirkungsgrad des Typs mit im Abstand zueinander angeordneten Wärmesammei rohren besser ist als der Wirkungsgrad des Typs, bei welchem die Wärmesammeirohre in Berührung miteinander stehen. Der Grund hierfür liegt darin, daß, selbst wenn die Sonnenstrahlen schräg auf die Wärmesammelrohre auffallen, diese wirksam genutzt werden können, falls die Rohreim Abstand zueinander angeordnet sind. Im Fall der Kurve A überschreitet der Wärmesammeiwirkungsgrad den Wert 1. Dies tritt aufgrund der Tatsache auf, daß, wenn die Wärmesammei rohre im Abstand zueinander angeordnet sind, sogar das reflektierte Licht von der Bodenfläche des Kastens 10 genutzt· werden kann.

In Fig. 4 ist in einer in Längsrichtung liegenden Schnittansicht das Wärmesammeirohr veranschaulicht. In dieser Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Wärmesammelrohreinheit, welche aus einem transparenten Außenrohr 2 und einem Innenrohr 3 besteht. Das Außenrohr 2 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, während das Innenrohr 3 ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und in das Außenrohr 2 mit einem Abstand 4 zur Innenfläche des Außenrohres eingesetzt ist. Beide Enden des Innenrohres 3 sind geschlossen. Das Innenrohr 3 weist eine Vielzahl von Vorsprüngen 5 auf, welche in Längsrichtung im Abstand auf d_er obenliegenden Fläche des Innenrohres 3 ausgebildet sind, wobei die Höhe der Vorsprünge geringfügig kleiner ist als die Abmessung des oben erwähnten Zwischenraumes 4. Ferner weist das Innenrohr 3 an beiden Enden einen davon

vorstehenden Anschlag 6 auf.
30

Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Verteiler zum Anschluß einer Vielzahl von Wärmesammeirohreinheiten 1. Der Verteiler 7 weist.eine Vielzahl von Anschlußteilen 7a auf, von denen jeder mit einem Außenrohr 2 mittels eines Verbindungsrohres 8 verbunden ist, welches aus einem flexiblen Material, wie beispielsweise Gummi od. dgl., hergestellt ist. Das. Innenrohr 3 ist länger als das Außenrohr 2 ausgebildet und die an beiden Enden vorgesehenen Anschläge 6

sind innerhalb der Verbindungsrohre 8 aufgenommen. Jeder Anschlag 6 greift in einen Halter 9 ein, welcher nach innen von der Innenfläche des Verbindungsrohres 8 vorsteht. Somit ist das Innenrohr 3 sowohl gegen Drehung als auch gegen Bewegung in Längsrichtung festgehalten.

Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß der Eingriff des Anschlags mit dem Halter lose genut ist, um geringfügige Drehbewegungen und Längsbewegungen des Innenrohres 3 zuzulassen.

Bei der Ausführungsform von Fig. 4 weist das Außenrohr den gleichen Durchmesser wie der Anschlußteil 7a des Verteilers 7 auf, jedoch, falls der Durchmesser des Anschlußteiles 7a kleiner ist als der des Außenrohres 2, ist es nur notwendig, das Verbindungsrohr trichterförmig auszubilden, so daß das Außenrohr 2 an den Verbindungsteil 7a des Verteilers 7 angeschlossen werden kann.

Ferner kann das Außenrohr 2 aus Glas oder Kunststoff hergestellt werden, es muß lediglich transparent sein. Die Verwendung von Glas als Material ist jedoch bevorzugt, wenn man an die Haltbarkeit und die Änderungen der Leistung über größere Zeitspannen und unter Umgebungsbedingungen denkt, bei denen die Außenfläche der Umgebungsluft ausgesetzt ist und die Innenfläche ständig mit einem Heizmedium in Berührung steht. Es ist jedoch nicht immer notwendig, das Innenrohr 3 aus einem transparenten Material herzustellen, es kann genausogut aus schwarzem oder weißem Polyäthylen her-

gestellt sein. Ferner ist es nicht immer notwendig, das Innenrohr hohl auszubilden, sondern das Innenrohr kann ebenfalls voll als Stab od. dgl. ausgebildet sein.

In den Fig. 6, 7 und 8 ist eine andere Ausführungsform der 35

Wärmesammei rohre und der Anschlußteile des Verteilers nach

der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist·zusätzlich zu einer Vielzahl oberer Vorsprünge 5¹ eine Vielzahl von seitlichen Vorsprüngen 15 in Längsrich-

tung am Innenrohr 3 vorgesehen, um zu gewährleisten, daß das Innenrohr. 3 fest in dem Außenrohr 2 sitzt. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß es nicht immer notwendig.ist, die seitlichen Vorsprünge 15 vorzusehen, um die erforderliche Stabilität des Innenrohres 3 zu erreichen. Ferner ist bei dieser Ausführungsform der Anschlag 6¹ lediglich an einem Ende des Innenrohres 3 vorgesehen und die Anordnung derart getroffen, daß der Anschlag 6 in einer Kerbe 16 sitzt, die in dem Anschlußteil 7'a des linken !O Verteilers ausgebildet ist. Der Zweck des Vorpsrungs 6¹ lediglich auf einer Seite des Innenrohres 3, wobei das andere Ende freibleibt, liegt darin, die Wärmeexpansion des Innenrohres 3 auszugleichen.

Es ist jedoch zulässig oder sogar empfehlenswert, die Anschläge 6¹ an beiden Enden des Innenrohres 3 vorzusehen, falls genug Spiel vorhanden ist, um die Wärmeausdehnung des Innenrohres 3 zwischen den beiden Endeingriffen der Anschläge 6¹ und den Kerben 16 auszugleichen. ■

Die in den Fig. 6 bis 8 veranschaulichte Ausführungsform kann dadurch abgewandelt werden, daß das Innenrohr 3 Kerben 16 an beiden Enden aufweist, und daß jeder Anschlußteil 7'a des Verteilers 7¹ einen daran ausgebildeten Anschlag 6' aufweist. Falls ferner der Verteiler aus einem flexiblen Material hergestellt ist, ist es nicht notwendig, die Verbindungsrohre vorzusehen. Anstelledessen können Verbindungsabschnitte des flexiblen Verteilers 7" direkt an beide

Enden der Außenrohre 2 angeschlossen werden, wie dies, in 30

Fig. 9 veranschaulicht ist. Der Anschlag 6', der auf der

Innenseite des Anschlußabschnittes..des Verteilers 7" vorgesehen ist, greift in die Kerbe 16 ein, welche in dem Endabschnitt des Innenrohres 3 ausgebildet ist, um das Innenrohr 3 im Außenrohr festzuhalten.

Um ferner die wirksame Nutzung von Sonnenstrählen zu gewährleisten , soll ten Außen- und Innenrohr vorzugsweise in einer Querschnittsform ausgebildet sein, welche obere und untere

gradlinige Seiten aufweist, die beidseitig mit Halbkreisen verbunden sind, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist. Es ist jedoch zeitaufwendig, die Wärmesammei rohre in eine derartige Gestalt umzuformen und es ist folglich bei dieser Aus- führungsform unvermeidlich, daß die Vorrichtung teuerer wird.

Obwohl obenstehend die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelzeiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Claims

r brose tbrose

D-8023 München-Pullach. Wiener Str. 2; Tel. (08§)!7 95 30>1: ΤθΓθ* 52121J7 brus ς) f CBbIiJa: -Patentibus- München

KABUSHIKI KAISHA KOMATSU SEISAKUSHO, 3-6, 2-chome Akasaka, Minato-ku- Tokyo, Japan

^FP 82-44-Ger. g*. 12. Okt. 1982

DBr/pr

PATENTANSPRÜCHE

1y Vorrichtung zum Sammeln von Solarwärmeenergie, gekennzeichnet durch folgende Be-■ standteile:

Ein Gehäuse (10, 11), eine Anzahl von solarwärmesammelnden Rohreinheiten (1), welche parallel zueinander in dem Gehäuse (10, 11) angeordnet sind, wobei jede Rohreinheit aus einem transparenten äußeren Rohr

(2) und einem inneren Rohr (3) besteht, welches in dem Außenrohr (2) montiert ist, wobei eine Bodenfläche des Innenrohres (3) in Berührung mit einer Innenfläche des Außenrohres (2) steht, beide Enden des Innenrohres

(3) geschlossen sind und beide Enden des Außenrohres (2) offen sind, so daß ein-Medienkanal· (4) zwischen dem Außenrohr (2) und dem Innenrohr (3) ausgebildet ist, und ein Paar von Verteilern (7, 7¹, 7", 7a) die in dem Gehäuse (10, 11) montiert sind, wobei einer der Verteiler mit einem Seitenende der Außenrohre (2) und der andere Verteiler mit dem anderen Seitenende der Außenrohre. (2) verbunden ist, wodurch Solarwärme aufnehmendes Medium in den Medienkanälen (4) strömen kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrohre (2) und die Innenrohre (3) eine kreisförmige oder elliptische Gestalt im Querschnitt aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Innenrohre (3) eine Vielzahl von daran ausgebildeten Vorsprüngen (5, 5', 15) aufweist, die in Längsrichtung verteilt sind, wobei die Höhe jeder der Vorsprünge derart ausgebildet ist, daß die Strecke am Vorsprung über das Innenrohr (3) gemessen geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Außenrohres (2).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine transparente Verglasung (11) auf dem Gehäuse (10, 11) montiert ist, um die Vielzahl von Wärmesammeirohreinheiten (1) in dem Gehäuse (10, 11) einzuschließen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarwärmesammelrohreinheiten (1) im Abstand zueinander in dem geschlossenen Gehäuse (10, 11) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl flexibler Anschlußrohre (8) vorgesehen ist, von denen jedes mit einem Ende an je ein Ende eines jeden Außenrohres (2) angeschlossen ist, während das andere Ende an einen der Verteiler (7) angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

jedes der Innenrohre (3) an jedem der geschlossenen Endab-

schnitte je einen Anschlag (6, 6¹) aufweist, und daß jedes der Anschlußrohre (8) einen nach innen vorstehenden Halter (9) zur Aufnahme der Anschläge (6) aufweist, derart, daß jedes der Innenrohre (3) gegen Drehung und gegen Längsrichtung festgehalten ist. ■ '
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Innenrohre (3) einen Anschlag (6') an jedem Endabschnitt aufweist, und daß einer der Verteiler (7, 7a)

eine Vielzahl von darin ausgebildeten Kerben (16) aufweist, die je mit einem entsprechenden Anschlag (6') in Eingriff gelangen können, so daß die Innenrohre (3) gegen Drehung festgehalten sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Innenrohre (3) an einem Ende eine Kerbe (16) aufweist, und daß einer der Verteiler (7, 7', 7a) eine Vielzahl von Anschlägen (6¹) aufweist, die je mit den entsprechenden Kerben (16) in Eingriff gelangen können, um dadurch das Innenrohr (3) gegen Drehung festzuhalten.
10. .Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Verteiler (7") aus einem flexiblen Material hergestellt ist und eine Vielzahl von Anschlußrohrabschnitten einstückig ausgebildet aufweist, daß jeder der Anschlußrohrabschnitte des Verteilers (7") einen nach innen vorstehenden Anschlag (6¹) aufweist und daß beide Enden eines jeden Innenrohres (3) eine darin ausgebildete Kerbe (16) aufweisen, welche mit den Anschlägen (6¹) in Eingriff gelangen kann.