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Dokumentenidentifikation DE202005014826U1 13.04.2006
Titel Hüllrohr für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr
Anmelder NARVA Lichtquellen GmbH + Co. KG, 09618 Brand-Erbisdorf, DE
DE-Aktenzeichen 202005014826
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 13.04.2006
Registration date 09.03.2006
Application date from patent application 20.09.2005
IPC-Hauptklasse F24J 2/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Hüllrohr für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr, das der Wärmeerzeugung durch Sammeln solarer Energie dient, wobei das Hüllrohr vakuumdicht sein muss, um die thermische Isolation der die solare Energie sammelnde Absorberfläche gegen die Umwelt auch über eine Zeit von mehr als einem Jahrzehnt zu sichern, wozu die Absorberfläche sich in dem Hüllrohr bei hohem Vakuum befindet, das im Fertigungsprozess durch Evakuieren bewirkt wurde und dieser Evakuierungsprozess meist durch einen Ausheizprozess und einen Getter unterstützt wird, wobei darüber hinaus das Hüllrohr weitgehend für die Solarstrahlung offen sein muss, damit die Absorberfläche den größten Teil des von der Sonne emittierten Licht aufnehmen kann und diese solare Energie nicht schon im Hüllrohr absorbiert wird und damit der Energiegewinnung verlustig geht, wobei das Hüllrohr im hohem Maße hagelschlagfest sein und auch eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen muss, um Korrosion des Hüllrohres zu verhindern wobei darüber hinaus es erforderlich ist, dass das Hüllrohr thermischen Belastungen widersteht.

Stand der Technik

Bekannt sind, Röhrenkollektoren bzw. Vakuum-Solarkollektoren in verschiedensten Bauarten und Ausführungsformen, wie beispielsweise das Schutzrecht US 3,227,153 vom 4. Januar 1966 in dem speziell geformte Absorber sich innerhalb eines aus Glas gefertigten, transparenten und evakuiertem Hüllrohres, dass jedoch nicht näher charakterisiert ist, beschrieben sind.

In der Schrift DE 26 54 143 vom 30.11.1976 ist ein Röhrenkollektor vom Dewar-Typ beschrieben, der aus einem Hüllrohr besteht, das aus Glas hergestellt ist, und einem gläsernen Innenrohr, das mit einem Absorber, wie beispielsweise mit Schwarzchrom, beschichtet ist. Beide Rohre sind auf einer Seite miteinander verschmolzen. Der Raum zwischen den beiden Rohren ist evakuiert, um die Wärmeisolation zur Umgebung zu gewährleisten. Das Glas der Rohre ist nicht näher charakterisiert.

Das US Patent 4,231,353 vom 4. November 1980 beschreibt ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr, bei dem sich innerhalb des transparenten und evakuierten Hüllrohres ein Wärmeausleitrohr aus Metall befindet, mit dem eine Absorberfläche verbunden ist. Der Innenraum des Hüllrohres ist evakuiert, um die thermische Isolation des Absorbers gegen die Umwelt zu gewährleisten. Das Glas des Hüllrohres ist nicht näher charakterisiert.

Nachteilig bei den Erfindungen US 3,227,153, DE 2654 143 und US 4,231,353 ist, dass das Hüllglas nicht näher charakterisiert ist und damit die oben aufgeführten Erfordernisse nicht sicher erfüllt sind.

Bekannt ist auch die Patentschrift DD 218 160 A1 vom 03.06.1983, in der ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr vom Dewar-Typ beschrieben ist. In diesem Patent wird das Hüllrohr auf der Außenoberfläche mit einer nicht näher charakterisierten Antireflexschicht überschichtet.

Bekannt ist die Patentschrift DE 736411 vom 28. Mai 1939. In diesem Patent wird beschrieben, dass durch Aufbringen von porösen, dünnen Schichten, teilweise abwechselnd aus den Oxiden von Silizium oder Titan die Reflektion für bestimmte Wellenlängen praktisch verhindert. In den Ansprüchen wird das Verfahren zum Aufbringen der Schichten auf der Basis von wasserarmen, gelartigem Oxidhydrat beschrieben.

Bekannt ist auch die Patentschrift US 4,535,026 vom 29. Juni 1983 in der Borosilikat- und Kalk-Natron-Glas mit Siliziumdioxid überschichtet werden um Antireflexionswirkung über einen breiten Bereich der Strahlung zu erzielen. Dies wird durch den Grad der Porosität der Schicht erreicht. Im Patent werden Anwendungen solcher Antireflexionsschichten von Siliziumdioxid für optische Linsen und Solarkollektoren ausdrücklich beansprucht. Die Siliziumdioxidschicht wird mittels einer Alkohol-Wasser-Suspension auf das Glas aufgebracht.

Nachteilig bei dieser Herstellungsmethode ist die Anwendung von Alkohol, der zu einem explosiven Dampf führen kann und damit die Notwendigkeit eines Explosionsschutzes entsteht.

Bekannt ist auch die Patentschrift DE 198 21 137 B4 vom 12.05.1998. In dieser Patentschrift, die einen speziellen Dewar-Typ-Kollektor schützt, wird in der Beschreibung festgehalten, dass das Hüllrohr vorzugsweise aus Glas hergestellt werden sollte. Dabei werden eisenarmes Kalk-Natronglas und eisenarmes Borosilikat-Glas bevorzugt.

Nachteilig bei Anwendung von Borosilikat-Glas sind die hohen technischen und energetischen Aufwendungen bei der Herstellung und Verarbeitung von Borosilikat-Glas. Daneben stellt auch die relativ große Gasdurchlässigkeit von Borosilikat-Glas für Gase mit kleinem Molekelradius, wie Wasserstoff und Helium, ein Problem für die Langzeitvakuumstabilität des Kollektorrohres dar, da Gase auf Grund der relativ großen Gasdurchlässigkeit in den evakuierten Innenraum eindringen und die thermische Isolation verschlechtern (L. Holland „The properties of glass surfaces", 2. Edition, London 1966 und Jousten Wutz Handbuch Vakuumtechnik, 8. Auflage, 2004).

Nachteilig bei der Anwendung von Kalk-Natron-Glas ist seine geringe chemische Beständigkeit, die bei Kondensationsbedingungen zu Korrosionen und damit zu Minderungen der Leistung des Solarkollektors über längere Zeit führt. Darüber hinaus führt der hohe Ausdehnungskoeffizient von Kalk-Natron-Glas zu Glasspannungen unter bestimmten Bedingungen, die zur Zerstörung des Kollektors führen können.

Bekannt ist die Patentschrift DE 199 26051 A1 vom 08.06.1999, in der ein Solarkollektor beschrieben ist, der aus wenigstens einem für das Sonnenlicht durchlässigen äußerem Hüllelement und wenigstens einem innerhalb des Hüllelementes angeordnetem, das Sonnenlicht absorbierenden Absorberelement aufgebaut ist, wobei das äußere Hüllelement aus wenigstens einem oberen und einem unteren Pressglaselement besteht. In der Beschreibung des Patentes wird auf die Möglichkeit verwiesen, vorzugsweise das obere Pressglaselement mit einer porösen, nicht näher beschriebenen Siliziumdioxidschicht, die durch ein Sol-Gel-Verfahren aufgebracht wird, zu entspiegeln.

Bekannt ist das Gebrauchsmuster DE 298 08 532 vom 12.05.1998 in dem beansprucht wird, dass das Hüllrohr an seiner Außenseite mit einer Antireflexionsschicht bzw. Entspiegelungsschicht versehen wird. Diese Entspiegelung erhöht die Durchlässigkeit für die Sonnenstrahlung von ca. 92 % bis ca. 96–97%. In der Beschreibung wird angemerkt, dass die Antireflexionsschicht beispielsweise aus porösem Siliziumdioxid besteht und mit einem Sol-Gel-Verfahren aufgebracht wird.

Nachteilig bei dem in dem Patent DE 199 26051 und in dem Gebrauchsmustern DE 298 08 532 beschriebenen Schichtaufbringungsprozess ist, dass die Beschichtung des Glases durch ein solches Sol-Gel-Verfahren sehr aufwendig ist (C. J. Brinker, Sol-Gel Science, Academic Press, 1990). Besonders kritisch ist, dass bei der Beschichtung wegen der Verwendung von organischen Lösungs- bzw. Dispergiermitteln in der Beschichtungslösung hochexplosive Dämpfe entstehen, so dass die Beschichtungsanlagen für Ex-Schutz gebaut werden müssen.

Der in den Schutzansprüchen angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein solches Hüllrohr für die Vakuum-Solarkollektorrohre zu schaffen, das die Nachteile der existierenden Ausführungen von Hüllrohren, wie im Falle von Borosilikatglas die sehr hohe Gasdurchlässigkeit oder im Falle von Kalk-Natronglas die starke Korrosionsanfälligkeit nicht aufweist.

Erfindungsgemäß werden die oben beschriebenen Nachteile des Borosilikatglases und des Kalk-Natronglases dadurch vermieden, in dem man Kalk-Natron-Glas durch eine Beschichtung mit Nanoteilchen so in seinen Eigenschaften verändert, dass die beschriebenen Nachteile des Kalk-Natron-Glases nicht wirksam werden. Erfindungsgemäß beschichtet man die Innenoberfläche wie auch die Außenoberfläche des Glasrohres mit einer porösen Schicht aus einem Metall- bzw. Nichtmetalloxid. Sollte es zweckdienlich sein, kann auch nur die Außenoberfläche oder die Innenoberfläche beschichtet werden. Diese Beschichtung verbessert die Transmission des Glases und darüber hinaus auch die hydrolytischen Eigenschaften des Hüllrohres, was heißt, dass das Glas erheblich korrosionsfester und bei Taueinwirkung nicht blind wird. Für diese Beschichtung werden bevorzugt Siliziumdioxid-Nanoteilchen verwendet. Durch diese Nanoteilchenschicht auf der Glasoberfläche wird die Transmission der einfallenden Solarstrahlung von 92% auf 94%–97% gesteigert und die Korrosionsfestigkeit des Glases verbessert sich deutlich.

Ausführungsbeispiel:

Ein Hüllrohr für einen Vakuum-Solarkollektor in dessen evakuiertem Innenraum sich das Wärmeausleitrohr befindet, dass durch Laserschweißung mit dem Absorberblech verbunden ist, wobei das Absorberblech mit einem Material beschichtet ist, dass besonders geeignet ist solare Strahlung zu absorbieren, besteht aus einem Kalk-Natron-Glas folgender Zusammensetzung: SiO2 71,41 % Al2O3 2,20 % Fe2O3 0,03 % TiO2 0,03 % CaO 4,90 % MgO 3,40 % BaO 0,03 % Na2O 16,10 % K2O 1,50 % SO3 0,30 %

Die Beschichtung des Hüllrohres erfolgt durch Tauchen in eine Beschichtungssuspension folgender Zusammensetzung: SiO2 1,00% Binder 0,03% Netzmittel 0,0015% Dispersionsmittel deionisiertes Wasser

Nach dem Tauchen wird das Hüllrohr langsam bei einer Geschwindigkeit von 0,016 m/s aus der Suspension gezogen, wobei die Nanoschichten auf der Innenoberfläche und auf der Außenoberfläche des Hüllrohres abgelagert werden. Die entstandenen Beschichtungen werden luftgetrocknet und anschließend bei einer Temperatur von 450°C getempert.

Parameter des Hüllrohrs: Außendurchmesser 55 mm Wandstärke 1,8 mm Länge 2000 mm Hüllrohrgewicht 1470 g Schichtdicken 150 nm Größe der Siliziumdioxid-Nanoteilchen 12 nm

Das Hüllrohr widersteht einem Hagelschlagtest, bei dem eine Stahlkugel mit einer Masse von 150 g, aus einer Höhe von 400 mm auf das Rohr fällt.

Die Verbesserung der Korrosionseigenschaften des Glases wurde durch Messung der Leitfähigkeit eines Wassers, in das Proberohre unter definierten Bedingungen eingebracht wurden, nachgewiesen. Die Leitfähigkeitsabnahme betrug 50 %.

Die Transmission des Hüllrohres steigt von 92 % (unbeschichtet) auf 96 % nach Beschichtung.


Anspruch[de]
  1. Hüllrohr für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr zum Zwecke einer vakuumdichten und weitgehend optisch offenen Umhüllung einer Solarkollektorfinne, die das von der Sonne emittierte Licht absorbiert, bestehend aus einem anorganischen Glas, vorzugsweise einem Kalk-Natron-Glas, dass die Erfordernisse von Hagelschlagfestigkeit, niedriger optischer Absorption durch Wahl geeigneter Glaszusammensetzung und durch die Anwendung von Schichten auf den Oberflächen des Glases sowie Vakuumdichtheit und Beständigkeit in Hinsicht auf chemische Korrosion bei Angriffen von Tauwasser erfüllt, dadurch gekennzeichnet, dass Grenzflächen des Hüllrohres mit Nanoteilchen bedeckt sind.
  2. Hüllrohr für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der aus Nanoteilchen bestehenden Schutzschichten des Hüllrohres zwischen 40 nm und 330 nm, vorzugsweise 150 nm beträgt.
  3. Hüllrohr für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass nur die äußere Oberfläche des Hüllrohres mit der Schutzschicht aus Nanoteilchen bedeckt ist.
  4. Hüllrohr für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass nur die innere Oberfläche des Hüllrohres mit der Schutzschicht aus Nanoteilchen bedeckt ist.
  5. Hüllrohr für ein Vakuumsolarkollektor-Rohr nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die innere wie auch die äußere Oberfläche des Hüllrohres der Schutzschicht bedeckt ist.
  6. Hüllrohr für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr nach Ansprüchen 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoteilchen eine Korngröße von 5 nm bis 50 nm, vorzugsweise 12 nm besitzen.
  7. Hüllrohr für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr nach Ansprüchen 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoteilchen aus einem Oxid, vorzugsweise Siliziumdioxid, bestehen.
  8. Hüllrohr für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr nach Ansprüchen 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass das Glas besonders wenig Eisenverbindungen enthält.
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