DE7623143U1 - Sonnenkollektor aus leichtmetall mit selektiver oberflaeche - Google Patents

Description

(Es wird hiermit die Priorität der italienischen Patentanmeldung No. 50678 A/75 vom 25. Juli 1975 in Anspruch genommen).

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen besonderen, hochleistungsfähigen Sonnenkollektor, der befähigt ist, Temperaturen von über 80⁰C zu liefern.

Er kann für die Klimatisierung auch von Wohnungen, für Sonnenpumpen, für die Destillation und die Entsalzung von Wasser usw. verwendet werden.

Die bekannten, in einfacher Weiae die einfallende Strahlung absorbierenden Sonnenkollektoren für die Erwärmung für von Haushaltszwecken dienenden Flüssigkeiten bestehen gewöhnlich aus einer flachen oder annähernd flachen Metalloberfläche.

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Sie zu erwärmende Flüssigkeit muß in eigenen Durchlässen strömen, welche unterhall) der erwähnten Oberfläche angeordnet und mit dieser thermisch verbunden sind.

Es wird versucht, die Durchflußkanäle für die su wärinende Flüssigkeit einteilig in dem die Absorptionsoberfläche bildenden Teil auszubilden und ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Kupfer oder Aluminium) zu verwenden. Dadurch wird erreicht, daß die Temperatur der Afcsorptionsflache nur wenig höher ist als die Temperatur der Flüssigkeit, wodurch Wärmeverluste herabgesetzt werden.

Das billigste Material, das folglich normalerweise verwendet wird, ist Aluminium und seine Legierungen.

Ein stark durchentwickeltes Konzept für die Erstellung von Sonnenkollektoren ist das, als Absorptionsoberflache eine Aluminiumkonstruk-iion zu verwenden, die als "Roll-Bond" bekannt ist. Zwei dünne Aluminiumbleche werden, nachdem auf ihnen die Kühlkanäle aufgezeichnet wurden, aneinandergelegt. Im Bereich dieser aufgezeichneten Stellen wird eine Substanz dazwischengelegt, welche befähigt ist, eine Verbindung durch Walzen der beiden Bleche zu verhindern. Die beiden Bleche werden nun gewalzt, so daß eine gegenseitige Verbindung der aneinanderliegenden Flächen, mit Ausnahme jener im Bereich der Kühlkanäle, erreicht wird. Mit einem pneumatischen System kann man nunmehr die plastische Verformung der Bleche im Bereich der niohtverschweifiten Zonen bewirken, wodurch die der ursprünglichen Skizzierung entsprechenden Kühlkanäle gebildet werden. Natürlich muß an den Einlassen und Auslässen der jsu erwärmenden Flüssigkeit eine Verbindung mit den Zulauf- und Ablaufrohren hergestellt werden, die gewöhnlich durch Verschweißen erfolgt.

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Das vorerwähnte System ist ziemlich billig, da es vor allem ein billiges Material (Aluminium) verwendet, jedoch sind die für die Erstellung des Kollektors erforderlichen Technologien trotzdem ziemlich kompliziert und müssen Arbeitsgänge in mehreren aufeinanderfolgenden Phasen für die Bildung des Endproduktes angewendet werden, wodurch sich die Arbeitszeiten und Arbeitskosten erhöhen. Ein weiterer Nachteil des vorerwähnten Konzeptes ist durch die Tatsache gegeben, daß bei dieser Arbeitsweise die Form der absorbierenden Oberfläche nicht optimalisiert werden kann, sondern daß man sich vielmehr damit begnügen muß, eine flache oder annähernd flache Oberfläche zu erhalten, welche praktisch der Oberfläche des ursprünglichen Bleches gleichkommt.

Ein weiterer Nachteil ist der, daß der Durchmesser der Kanäle sehr klein ist und dadurch die Gefahr einer Verstopfung der Kanäle besteht.

Die Oberfläoheneigenschaften können natürlich verbessert werden, indem man die Oberflächen mattiert und schwärzt, beispielsweise durch Aufbringen eines matten schwarzen Lackes. Eine weitere Verbesserung der Absorptionsfähigkeit kann durch eine geeignete Behandlung der Oberflächen erreicht werden, so daß eine sogenannte selektive Oberfläche erhalten wird.

Das Prinzip besteht darin, ein Material, Im gegebenen Falle Aluminium, zu verwenden, welches normalerweise die Sonnenstrahlung reflektiert und eine geringe Emission im Infra-Rot-Bereich besitzt, um es einer Oberflächenbehandlung zu unterwerfen, so daß es in größtmöglicher Weise die Sonnenstrahlung absorbiert, jedoch die geringe eigene Emissionsfähigkeit im Infrarotbereioh beibehält. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem man auf das Aluminium dünne Filme von CuO, CuS, MoS₂, NiS oder von Eisenoxiden niederschlägt.

Auf diese Weise wird die Absorption der Sonnenstrahlung bis

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auf Werte zwischen 40 und 75 '/°, je nach der Art der durchgeführten Behandlung, erhöht. Es ist jedoch offensichtlicli, daß "bei ebenen Oberflächen ein guter Teil der einfallenden Energie immer durch Reflexion verlorengeht.

Um somit Oberflächen mit geringer Emission und totaler Absorption zu erhalten, genügt es nicht, eine geeignete Behandlung der flachen Oberflächen, wie sie normalerweise bei Sonnenkollektoren bekannter Bauart durchgeführt wird, vorzunehmen, sondern ist es auch notwendig, eine optimalisierte Form der Oberflächen selbst zu ermitteln.

Gemäß dem hauptsächlichen Merkmal der Erfindung ist der Sonnenkollektor dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Monoblock aus Leichtmetall mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, die eine vielfach reflektierende Oberfläche zum Einfangen der einfallenden Strahlung und einteilig mit dem Monoblock ausgebildeten Kanälen für den Durchtritt der Flüssigkeit aufweist, welche Oberfläche in Längsrichtung Vertiefungen aufweist und mit strahlungsabsorbierenden Filmen oder Anstrichen versehen ist, wobei der Monoblock oben durch eine Platte aus strahlungsdurchlässigem Material und unten durch wärinaiDolierendes Material geschützt ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die die Strahlungen absorbierende Oberfläche in Längsrichtung mit benachbarten parallelen Rillen mit V-förmigem Querschnitt versehen ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die die Strahlungen absorbierende Oberfläche in Längsrichtung mit benachbarten parallelen Rillen mit spitzbogenförmigem Querschnitt versehen ist.

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Mittels der erfindungegemäßen Sonnenkollektor sollen In dessen Hauptbestandteil, welches die zur Absorption der Sonnenstrahlung und zur Erwärmung der Flüssigkeit dienende Platte ist, alle folgenden optimalen Eigenschaften erzielt werden:

1) Verwendung eines Materials mit hoher Leitfähigkeit, billigem Preis und relativ niedrigem spezifischen Gewicht; erfindungsgemäß wird als geeignetes Material Aluminium vorgeschlagen,

2) Bildung von Kühlkanälen, die im Heizelement eingeschlossen sind, um, wie bereits erwähnt wurde, die Teaiperaturdifferenz zwischen der absorbierenden Fläche und der zu erwärmenden Flüssigkeit weitestgehend herabzusetzen»

3) Anwendung eines Arbeitssystems, welches ermöglicht, ein Heizelement von optimaler Form in billigster und raschester Weise zu erhalten, wobei die geringstmögliche Zahl an Arbeitsphasen eingesetzt wird, um zum Endprodukt zu gelangen; als geeignetestes Arbeitssystem hat sich die Herstellung von Profilen durch Strangpressen und ihre parallele Verbindung mit den Zulauf- und Ablaufrohren durch dichte Anschlüsse, wie beispielsweise durch Verschweißungen, zu bilden. Dieses Arbeitssystem ermöglicht die Erstellung von zusammengesetzten Profilen für die absorbierende Oberfläche und ermöglicht ferner die Bildung von darin enthaltenen Kühlkanälen mit einem Durchmesser von etwa einem halben Zoll, so daß die Gefahr einer anfälligen Verstopfung der Kanäle vermieden wird. Ein Arbeitssystein, nämlich der Spritzguß, welcher es ermöglicht hätte, das fertige Element einschließlich der Zulauf- und Ablaufrohre in einer einzigen Arbeitsphase zu erhalten, wurde verworfen, da sich herausgestellt hat, daß das fertige Produkt einen zu großen Materialanteil aufweist (es ist nicht möglich, geringe Durchmesser unterhalb eines bestimmten Wertes herzustellen), und daß das erhaltene Aluminium eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzt,

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4) Eineatζ von selektiven Oberflächen, d.h. von absorbierenden Oberflächen, die In geeigneter Welse behandelt wurden, um Ihre Emissionsfählgkelt Im Infrarotbereloh auf ein Minimum herabzusetzen (unterhalb 0,10),

5) Realisierung von optimal geformten Abeorptionsflachen, um die Absorptionsfähigkeit des Systeme in Anbetracht der Verwendung von selektiven Oberflächen im System auf ein Maximum zu erhöhen·

Dieser Punkt 1st tatsächlich an die Möglichkeit der Verwendung selektiver Flächen gebunden, da durch Eliminierung des einzigen Nachteiles, der auf die Verluste durch Reflexion zurückzuführen ist, bedeutende Vorteile erzielt werden. Andererseits ist die vorerwähnte Maßnahme der Erhöhung der Absorption durch geeignete geometrische Anordnung der Oberfläche nur dann vorteilhaft und nutzbringend, wenn selektive Oberflächen verwendet werden, wogegen von dieser Maßnahme im Falle von Oberflächen mit hoher Emissionsfähigkeit abzuraten wäre.

Es ist noch zu bemerken, daß bei Verwendung flacher selektiver Oberflächen die Verluste durch Emission im Infrarotbereich wohl gering sein wurden, jedoch die Verluste durch die Reflexion der flachen Oberfläche nicht vermieden werden könnten.

Der erfindungsgemäße Vorschlag zur Eliminierung des vorerwähnten Nachteiles und zur Erhöhung der effektiven Absoption der Oberfläche auf Werte, die praktisch in der Nähe von 100 % der einfallenden Strahlung liegen, besteht somit in der Schaffung gefalteter Oberflächen.

Die Erfindung wird nun in einer Ausführungsform anhand der Zeichnungen besser erläutert. Es zeigt:

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Pig. 1: im Profil einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor, und

Pig. 2» zwei Beispiele von Profilen 2a und 2b der Oberfläche und die Reflexionen der einfallenden Strahlung.

Mit Bezug auf die Zeichnung besteht der Sonnenkollektor aus einem Monoblock, mit der Oberfläche 2 mit Rollen 3 und mit den Kanälen 4.

Sie einfachste Art und Weise der Realisierung eines Oberflachenprofil88 besteht in einer Reihe von aneinanderliegenden kleinen V von einer Tiefe im Bereich von einigen Millimetern und mit einem öffnungswinkel zwischen 40 und 60°.

Das durch Strangpressen erhaltene Profil ist dadurch von einer Reihe benachbarter paralleler Rillen mit V-förmigem Querschnitt abgedeckt (Fig. 1).

Der Sonnenkollektor besteht aus einer Reihe von nebeneinander montierten Profilen, die derart orientiert sind, daß die Achse der Rillen annähernd senkrecht zu der Ebene verläuft, die durch die Drehung der Richtung der einfallenden Strahlung während des !Tages beschrieben wird, was den Vorteil mit sich bringt, daß es nicht notwendig ist, den Kollektor zu drehen, da seine Oberfläche immer senkrecht zur einfallenden Strahlung, wie bei flachen Kollektoren, verläuft, wobei aber im erfindungsgemäßen Falle die Rillen eine Ausnutzung der Strahlen während der ganzen nutzbaren Stunden des Tages ermöglichen.

Es ist ersichtlich, daß auf diese Weise jeder einfallende Lichtstrahl mehrmals reflektiert wird, ehe er aus dem Profil der Oberfläche entweichen kann (durchschnittlich 2 bis 3 Reflexionen, je nach der Richtung der einfallenden Strahlen).

Bine aolohe Anzahl von Reflexionen reloht gewöhnlich aus, daß der Sonnenkollektor ein« größtmögliche effektive Absorptionsleistung, die sehr in der Nähe von 100 $> der einfallenden Strahlung liegt, aufweist.

Eine weitere Möglichkeit der Realisierung des Profiles der Rillen anstelle der V-Form mit gradlinigen Seiten 1st die Spitzbogenform mit awei kreisbogenförmigen oder parabolischen Bogenabachnitten, deren Konkavität von der Oberfläche nach außen weist. Natürlich können auch viele andere Profilarten für die Rillen angewendet werden, welche alle auf dem vorerwähnten Prinzip basieren, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

Ein Beispiel eines Profiles für Sonnenkollektor unter Anwendung des dem erfindungsgemäßen Vorschlag zugrundeliegenden Grundgedankens ist in der bailiegenden Zeichnung dargestellt.

Das Profil ist 300 mm breit, so daß man bei der parallelen Anordnung von drei Profilen nebeneinander eine 900 mm breite Kollektorplatte erhält. Die Rillen sind 5 mm tief und sind in einer Teilung von 4 mm angeordnet.

Die einverleibten Kühlkanäle haben eine Teilung bzw. einen Abstand von 100 mm, so daß auf jedem Profil drei Kanäle vorhanden sind. Jeder Sonnenkollektor wird sodann vervollständigt, indem man auf die Profile eine durchsichtige Platte 5 aus Glas oder Kunststoff in einem Abstand von etwa 3 bis 4 cm aufträgt, welche die obere Isolierkammer begrenzt, und indem man die Profile auf ein Bett aus Isoliermaterial 6 legt, um die Wärmeverluste durch Konvektion herabzusetzen. Die Kühlkanäle sind an den beiden Enden mit den Zulauf- und Ablaufrohren verbunden.

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Claims (8)

Schutzansprüche

1. Sonnenkollektor für die direkte Erwärmung von Flüssigkeiten» dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Monoblock aus Leichtmetall mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, die eine vielfach reflektierende Oberfläche zum Einfangen der einfallenden Strahlung und einteilig mit dem Monobloc* unterhalb der Oberfläche ausgebildeten Kanälen für den Durchtritt der Flüssigkeit aufweist) welche Oberfläche in Längsrichtung Vertiefungen aufweist und mit strahlungsabsorbierenden Filmen oder Anstrichen versehen ist, wobei der Monoblock oben durch eine Platte aus strahlungsdurchlässigem Material und unten durch wärme is ο Her end es Material geschützt ist.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Monoblock aus Aluminium und seinen Legierungen besteht.

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3. Sonnenkollektor naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlungen absorbierende Oberfläche in Längsrichtung mit benachbarten parallelen Rillen mit V-förmigem Querschnitt versehen ist.

4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlungen absorbierende Oberfläche in Längsrichtung mit benachbarten parallelen Rillen mit spitzbogenförmigem Querschnitt versehen iat.

5. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der öffnungswinkel der Rillen zwischen 40° und 60° liegt.

6. Sonnenkollektor nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen eine Tiefe von 5 mm und eine Teilung von 4 mm besitzen. .^..

7. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Oberfläche durch Überziehen mit Eisenoxiden selektiv gemacht ist.

8. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Oberfläche durch Überziehen mit dunkel gefärbten Metallverbindungen selektiv gemacht j.st.