Projekt 27218/01

Entwicklung einer hocheffektiven und flexiblen Technologie zur Herstellung von Heatpipe-Vakuumröhrenkollektoren für die Massenproduktion

Projektträger

NARVA Lichtquellen GmbH & Co. KG
Erzstr. 22
09618 Brand-Erbisdorf
Telefon: 037322/17290

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Solarwärme ist eine der günstigsten Möglichkeiten, die Umwelt von Kohlendioxidemissionen zu entlasten. Dies betrifft sowohl die Größe des nutzbaren Potentials - 47% der Primärenergie werden für Wärmeerzeugung im entsprechenden Temperaturbereich eingesetzt- als auch von der Effektivität und Kostensituation. Derzeitig liegen die Kosten der Energieerzeugung bei der Solarthermie nur noch 10-15 % über den Kosten fossiler Energieträger. NARVA hat ein hocheffektives Vakuumrohr entwickelt und produziert dies in Massenproduktion, wobei solche Kollektorrohre ihre besonderen Vorteile in höheren Temperaturanwendungen besitzen
Wegen der einfacheren effektiven Hydraulik und des besseren Betriebsverhaltens wurde im zweiten Schritt eine Heatpipelösung für die Wärmeausleitung erarbeitet. Ziel von NARVA in diesem Projekt war es, Wege aufzuzeigen und Lösungselemente zu finden, die Heatpipe-Produktion effektiver zu gestalten, um dem Ziel einer Kostenäquivalenz zu fossilen Wärmeträgern näher zu kommen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenWegen der angewendeten Plattform-Technologie unterscheidet sich bei NARVA ein Heatpipe-Basisrohr nicht von einem direkt durchströmten Vakuum-Absorberrohr. Zur Herstellung der Heatpipelösung sind deshalb nur folgende Arbeitsschritte erforderlich:
Bereitstellen des Kondensators
Fügen von Kondensator und Basisrohr
Evakuieren der Heatpipe über ein am Kondensator befindlichen Pumprohr
Dosieren einer exakten Menge des Verdampfungsfluides
Vakuumdichter Verschluss des Pumprohres durch Verquetschen, Abschneiden und Verschweißen
Prüfung der Heatpipe
Die teilweise recht komplizierten Prozesse wurden detailliert untersucht, um geeignete, zuverlässige Verfahren für die Gestaltung der einzelnen Prozess-Elemente zu finden. Eine wesentliche Rolle spielten speziell bei den Evakuierungs- und Dosieruntersuchungen experimentelle Arbeiten.


Ergebnisse und Diskussion

Im Ergebnis der Entwicklungsarbeiten konnten Wege für eine deutliche Minderung und damit Kostensenkung der erforderlichen menschlichen Arbeitszeit für die Herstellung von Heatpipe-Vakuumrohren gefunden werden. Die erforderliche Arbeitszeit von direkt durchströmtem Rohr oder Heatpipelösung wurde angeglichen und dabei deutlich gesenkt. Teilweise musste zur Erreichung der Ziele die Aufgabenstellung erweitert werden. Im Einzelnen wurden Lösungen für folgende Probleme gefunden:
Gestaltung von Kondensator und Anschluss
Die massenproduktionsgerechte Ausführung des Kondensators wird über ein Tiefziehverfahren realisiert. Dabei wurden die Wärmetransport-Mechanismen besonders betrachtet, um die erforderliche Zeit für das Fügen zu minimieren.
Entwicklung eines vakuumdichten Schnellanschluss für das Pumprohr. Die Vakuumdichtheit wird durch Verpressen des Pumpgummis mit Druckluft erreicht.
Als problematisch erwies sich die Dosierung des Verdampferfluides unter Vakuum, da sich das Fluid verteilte und die Wände der Evakuierungskammer bzw. das Pumprohr benetzte. Dies führte zu nichttolerierbaren ungenauen Dosiermengen und zu langen Evakuierungszeiten. Gelöst wurde die Problematik durch Einführung einer Kapillare, die die Strecke zwischen Dosierventil und Kondensator überbrückt und beim Dosieren bis in den Kondensatorraum reicht.
Zur Erzielung von kurzen Evakuierungszeiten war es erforderlich den Pumpkopf durch Heizbandagen auf eine Mindesttemperatur zu stabilisieren. Darüber hinaus wurde die Vakuumverbindung Pump- und Dosierkopf - Vakuumpumpe als Kessel ausgebildet.
Der vakuumdichte Verschluss des Pumprohres wird in drei Stufen erreicht:
1. Verquetschen des Pumprohres
Dazu wird eine speziell ausgebildete Handzange genutzt. Wichtig war nicht die Lötung des Pumprohres durch den Quetschvorgang zu beschädigen, was durch die Form des Quetschwerkzeuges und die Lage der Quetschung erreicht wird. In der Massen Produktion kommt hier eine hydraulisch angetriebene Quetschzange zum Einsatz.
2. Abtrennen des Pumprohres
Löst man die Quetschzange kommt es zu Leckströmen, die die Qualität der Heatpipe beinträchtigen. Es ist also erforderlich, dass die Quetschzange bis zum endgültigen Verschluss auf der Quetschstelle verbleibt. Die Abtrennung des Pumprohres erfolgt mit einer Schere.
Der endgültige vakuumdichte Verschluss wird mit einem WIG-Schweißverfahren hergestellt.
Prüfung der Heatpipe
Man kann einem Vakuum-Kollektorrohr nicht ansehen, ob dessen Heatpipe funktionsfähig ist. Es ist deshalb außerordentlich wichtig, dass prozessnah eine Prüfung erfolgt. Als brauchbare Lösung erwies sich eine Aufheizung des Absorberrohres mit künstlichen Sonnen direkt im Prozess. Durch Messung der Temperatur nach einer bestimmten Besonnungszeit am Kondensator kann die Qualität und Funktionsfähigkeit der Heatpipe ermittelt werden.
Für eine Investition wurde ein Rundtisch konzipiert, auf dem alle dargestellten Prozesselemente realisiert werden.

Das Ziel der Erreichung einer Automatisierungsfähigkeit für die Herstellung der Heatpipes wurde erreicht. Zuverlässige Prozesselemente konnten gestaltet werden. Nach einer entsprechenden Investition bei an-gemessenen Stückzahlen ist mit deutlichen Kostensenkungen zu rechnen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen einer DBU-Bildungsveranstaltung im Kloster Marienthal wurden von NARVA wesentliche Elemente der Arbeit an umweltrelevanten Technologien von NARVA auch im Rahmen des vorliegenden Projektes dargestellt.
Es deuten sich Entwicklungswege über das bestehende Niveau hinaus an, die Nutzung von Solarwärme weiter fördern werden.


Fazit

NARVA dankt der DBU ausdrücklich, dass die DBU im Gegensatz zu dem allgemeinen Trend die Solarthermie fördert. Sie ist eine der wenigen Institutionen, die die Zukunft nicht nur in Fotovoltaik oder Bioenergie sehen, Wirtschaftszweigen, die mit den Geldern ihrer großen Industrien entsprechende Lobbyarbeit betreiben können. Die Solarthermie ist zwar dezentral in ihrer Anwendung und darüber hinaus kleinteilig, sie hat aber von allen nachhaltigen Energieformen das größte Potential. Die Solarthermie führt zu den geringsten negativen Auswirkungen auf Flächen- und Lebensmittelverbrauch. Darüber hinaus erreicht sie den höchsten Wirkungsgrad bezogen auf die pro Flächeneinheit eingestrahlte Sonnenenergie. Ihre besondere Stärke liegt darüber hinaus in der extrem kurzen energetischen Rückflussdauer. NARVA wird den Weg der Arbeit an der konsequenten Kostensenkung im Bereich der Solarthermie weitergehen, denn das Entwicklungspotential der Solarthermie ist bei weitem noch nicht ausgereizt und bietet trotz der Rückschläge der Solarthermie in den letzten zwei Jahren wirtschaftliche Chancen.