DE3728551A1 - Anordnung zum sammeln und speichern von sonnenenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung zum Sammeln und Speichern von Sonnenenergie umfas­ send einen Speicherbehälter mit einer transparen­ ten Abdeckung und einem dunklen, absorbierenden Boden sowie Zuführ- und Entnahmeleitungen für Frisch- und Brauchwasser.

Der diskontinuierliche Anfall von Sonnenenergie macht für autarke bzw. die Energie optimal nutzen­ de Systeme Speicher unumgänglich. Dies gilt auch für den Bereich der solaren Warmwasser-Erzeugung.

Insbesondere in der Zeit nach 1973 wurden in praktisch allen Industrie-Ländern verschiedene Varianten solcher solaren Warmwasser-Systeme entwickelt. Grundsätzlich kann man eine Eintei­ lung in großflächige Systeme mit großvolumigen Speichern langer Speicherzeit und in kleinere Systeme mit kleineren Speichern und kurzer Spei­ cherzeit vornehmen.

Aus ökonomischen Gründen haben sich in letzter Zeit auf beiden Teilgebieten Varianten heraus­ kristallisiert, die in einer kompakten Einheit Sonnenenergie-Sammler und -Speicher vereinigen. Dabei sind im Bereich der Großanlagen Speicher­ seen (international üblicherweise als "Solar- Ponds" bezeichnet), im Bereich kleinerer Anlagen kombinierte Sammler- und Speicherkollektoren (international übliche Bezeichnung "internal storage collectors") entwickelt worden.

Die "Solar-Ponds" beruhen auf einem um das Jahr 1900 in Ungarn entdeckten und in den 50er Jahren in Israel (insbesondere von Tabor et al) technisch weiterentwickelten physikalischen Effekt, wonach in einem See von einigen Metern Tiefe das Oberflä­ chen-Wasser aus Süßwasser besteht, während die darunterliegenden Schichten aus Salzwasser gebil­ det werden, dessen Konzentration zum Boden zu anwächst. Das bis auf den dunklen Grund vordringen­ de Sonnenlicht wird dort absorbiert und in Wärme umgesetzt, kann aber nicht - wie bei üblichen Süßwasser-Seen - über Konvektion zur Oberfläche transportiert werden, da die untenliegenden Wasser­ schichten schwerer sind. Auf diese Weise erhitzt sich der untere Teil des "Solar-Ponds" und ist durch die darüberliegenden süßen Wasserschichten relativ gut wärmeisoliert. Die Nutzwärme wird nun dem unteren Teil des "Solar-Ponds" mittels eines Wärmetauschers entzogen.

In der Praxis werden derartige "Solar-Ponds" eingesetzt, um damit z.B. thermodynamische Maschi­ nen mit Arbeitsmitteln niedrigen Siedepunktes zu betreiben und aufgrund der Sonnenenergie-Spei­ cherfunktion rund um die Uhr auch in Schlecht­ wetter-Perioden bei entsprechender Dimensionierung des "Solar-Ponds" mechanische Energie bzw. elektri­ schen Strom zu erzeugen.

Die sogenannten "internal storage collectors" bestehen im einfachsten Fall aus schwarzen, wasser­ gefüllten Behältern, die sich im Inneren einer gut isolierenden Umhüllung befinden, deren der Sonne zugewandte Oberfläche mit einer oder mehre­ ren Verglasungen versehen sein kann. Das sich im Inneren des schwarzen Behälters aufheizende Wasser kann über Wärmetauscher oder direkt dem Verbraucher zugeführt werden. Eine derartige Anordnung ist z.B. aus der DE-PS 26 39 425 bekannt.

So sehr die grundsätzliche Einfachheit des Aufbaus der beschriebenen Anordnungen deren konstruktive Realisierung erleichtert, so sehr sind sie doch auch mit gravierenden Nachteilen verbunden, da sie insbesondere einen doch sehr niedrigen Wirkungs­ grad aufweisen.

Der wesentliche Nachteil der "Solar-Ponds" liegt darin, daß bei typischen Tiefen von z.B. 3 m am Grunde des "Solar-Ponds" aufgrund der Extink­ tion des längerwelligen Teils im Sonnenspektrum nur noch 35% Nutzenergie ankommen, so daß hierdurch der größtmögliche Wirkungsgrad unmittelbar be­ schränkt wird. Weiterhin ist die Stratifizierung derartiger "Solar-Ponds" mit Salzwasser-Schichten der natürlichen Konvektion entgegengerichtet und muß daher ständig durch Umpumpen zur Konstant­ haltung des Gradienten aufrechterhalten werden. Letztlich ist die freie Wasseroberfläche insbe­ sondere bei an sich anzustrebenden größeren Flä­ chen sehr windanfällig, da die durch Wind erzeug­ ten Wellen die Stratifizierung der Wasserschich­ ten stören und zu Verlusten führen.

Der wesentliche Nachteil der "internal storage collectors" besteht in der großen thermischen Trägheit des aufzuheizenden Wasservolumens. Gerade in Klimaregionen mit wechselnder Einstrahlung sind Kollektoren mit kleinerer Wärmekapazität von Vorteil, da sie bei kurzen Sonnenschein-Perioden bereits die geforderten Nutztemperaturen liefern. Speicherkollektoren der klassischen Bauweise sind daher in ihrer Anwendung auf sehr sonnenrei­ che Länder beschränkt und letztlich auch dann nur einsetzbar für Anwendungen, bei welchen erst in der zweiten Hälfte des Tages Warmwasser benötigt wird.

Diese grundsätzliche Systemschwäche kann beispiels­ weise durch isothermes Aufheizen in einem Speicher­ kollektor mit variablem Volumen vermindert werden, wie z.B. in der EP-OS 02 19 566 beschrieben.

Bei dieser vorbekannten Anordnung wird durch einen oben transparenten und unten dunklen Absor­ berschlauch ständig Sonnenenergie absorbiert, wobei sich die Füllhöhe des Speicherkollektors in Abhängigkeit von der gewünschten, eingestellten Temperatur und der Sonneneinstrahlungs-Intensität ändert. Dieses System ist damit thermisch nicht mehr träge und arbeitet mit hohem Wirkungsgrad. Allerdings ist das im Kollektorschlauch befindliche Wasser drucklos und muß mit einer Zusatzpumpe auf Brauchdruck gebracht werden. Die Wärmeverluste des Speichers nach oben hin sind durch eine trans­ parente Isolation begrenzt, wobei jedoch nicht die Dämmeigenschaften nichttransparenter Dämm- Materialien, wie z.B. von Polyurethanschaum, erreicht werden.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung eines einfach aufge­ bauten kombinierten Sonnen-Kollektors und -Speichers einen möglichst hohen Sammelwirkungsgrad in bezug auf das einfallende Sonnenspektrum, ein isothermes Aufheizen des integrierten Speichervolumens, eine optimale Wärmedämmung des Speichervolumens und die Möglichkeit des Wärmeentzugs aus dem drucklosen Speichervolumen durch einen druckbeauf­ schlagten Wärmetauscher zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der dunkle Boden als den Behälter horizontal in ein kleineres oberes und ein größeres unteres Wasservolumen unterteilender Zwischenboden ausgebildet ist, und daß eine Einrichtung zur Erzielung eines Wärmeausgleichs zwischen dem oberen Volumen und der Oberseite des unteren Volumens vorgesehen ist.

Die Einrichtung zum Wärmeausgleich wird z.B. gebildet durch eine dem oberen Volumen wasserent­ ziehende und der Oberseite des unteren Volumens wasserzuführende Pumpenanordnung und wenigstens eine den Zwischenboden durchsetzende Verbindungs­ leitung.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß sich das kleinere, obere Volumen bereits bei schwacher oder kurzzeitiger Sonneneinstrahlung erwärmt, wobei dieses erwärmte Wasser zur Speicherung dann in den Bereich unmittelbar unterhalb des Zwischenbodens eingebracht wird. Dort kann das warme Wasser aufgrund der realisierbaren guten Wärmedämm-Eigenschaften des Zwischenbodens mit geringem Verlust gespeichert werden. Außerdem wird durch die Verbindungsleitung erreicht, daß bei der Entnahme von warmem Wasser aus dem oberen, kleineren Volumen automatisch kaltes Wasser vom Grund des kälteren Volumens nachfließt.

Dabei ist günstigerweise vorgesehen, daß dem oberen Volumen ein Temperatur-Sensor zugeordnet ist, welchem eine Vergleichsanordnung zum Vergleich der von dem Sensor gemessenen Temperatur mit einer voreinstellbaren Referenz-Temperatur zugeord­ net ist, wobei die Pumpe der Pumpenanordnung dann eingeschaltet wird, wenn die gemessene Tempe­ ratur die Referenz-Temperatur erreicht. Auf diese Weise kann eine isotherme Aufheizung realisiert werden.

Zur Erzielung eines laminaren Einströmens des in das untere Volumen eingepumpten Wassers der­ art, daß die Schichtung in dem unteren Volumen möglichst wenig gestört wird, ist vorgesehen, daß der Pumpenanordnung eine Zuführanordnung nachgeordnet ist, welche unterhalb des Zwischen­ bodens in geringem Abstand parallel zu diesem über die gesamte Breite des Behälters verläuft, endseitig geschlossen ist und an der Oberseite mit einer Mehrzahl in Abhängigkeit von dem Druck­ abfall längs desselben größer werdenden Ausström- Öffnungen versehen ist.

Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, daß die Zuführeinrichtung eine Einlaufplatte umfaßt, an deren Oberseite in Abhängigkeit von dem Druckabfall längs derselben breiter werdende Querschlitze angeordnet sind.

Weiterhin kann zur Unterdrückung von Turbulenzen vorgesehen sein, daß sich dicht unterhalb der Zuführanordnung ein horizontales Gitter befindet.

Eine Alternative zu der durch eine Leitung und eine Pumpe gebildeten Anordnung zur Herbeiführung eines Wärmeausgleichs besteht darin, daß diese Einrichtung wenigstens ein Wärmeaustauschrippen aufweisendes Wärmeleitungsrohr umfaßt. In diesem Fall erfolgt also der Wärmeaustausch ausschließ­ lich durch Wärmeleitung ohne eigentlichen Wasser­ transport.

Zur Entnahme der Wärmeenergie kann gemäß einer erfindungsgemäßen Variante vorgesehen sein, daß unterhalb des Zwischenbodens eine Wärmetausch­ einrichtung angeordnet ist, welche in einen Se­ kundär-Kreislauf eingeschaltet ist. Hierfür kommen Wärmetauscher-Schlangen herkömmlicher Konstruktion in Betracht, vorzugsweise solche, welche relativ flach ausgelegt sind.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, daß unterhalb des Zwischenbodens eine Warmwasser-Entnahmeleitung angeordnet ist, und daß am Grund des unteren Volumens eine Kaltwasser-Zuführleitung mündet, durch welche die entnommene Wassermenge kompensiert wird.

Für die Speicherung großer Wärmemengen kann vorge­ sehen sein, daß der Behälter als ein in einem Gewässer verankerter Schwimm-Behälter ausgebildet ist. Derartige Behälter lassen sich in Seen und Teichen zur Speicherung außerordentlich großer Volumina und damit erheblicher Wärmemengen anordnen. Es wurde bereits früher erkannt, daß durch in Gewässern angeordnete Speicher erhebliche Wärme­ mengen, z.B. zur Versorgung von in der Nähe liegenden Häusern mit Heiz- und Brauchwasser, gespeichert werden können. Bisher ging man jedoch davon aus, daß die Aufheizung des Speicher-Volumens mittels externer Kollektoren bewerkstelligt werden müsse. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird nun eine sehr wirtschaftliche Kombination von Kollektor und Speicher geschaffen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei­ bung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeich­ nung. Diese zeigt eine schematische Schnittdar­ stellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.

In der Zeichnung ist ein Behälter 1 mit einer isolierenden Außenwand dargestellt. Dieser Behäl­ ter kann einerseits gebildet sein durch die natür­ liche oder künstliche Wand eines Teiches bei einer Ausführung als eine Art "Solar-Pond", oder aber auch durch eine isolierte Behälterwand prak­ tisch beliebiger Größe bei einer Ausführung als "internal storage collector". Die Oberseite des Behälters 1 ist durch im Ausführungsbeispiel drei transparente Schichten aus einer lichtdurch­ lässigen Folie verschlossen und damit thermisch isoliert.

Ein an seiner Oberseite dunkelgefärbter und damit Wärmestrahlung absorbierender Boden ist als Zwi­ schenboden 3 ausgebildet und erstreckt sich hori­ zontal quer über den Behälter 1, so daß zwei voneinander getrennte Wasservolumina gebildet werden, wobei das untere Wasservolumen A größer ist als das obere Wasservolumen B.

Eine Leitung 4 durchsetzt den Zwischenboden 3 und verbindet die Unterseite des unteren, größeren Volumens A mit dem oberen, kleineren Volumen B.

Eine Auslaßleitung 5 führt von dem oberen Volu­ men B zu einer Pumpe 6, von welcher eine Rückführ­ leitung 7 nachgeordnet ist, welche in eine Zuführ­ anordnung 8 mündet. Die Zuführanordnung 8 wird gebildet durch wenigstens ein endseitig verschlos­ senes, sich horizontal quer zu dem Zwischenbo­ den 3 unterhalb desselben erstreckendes Rohr mit einer Mehrzahl von Austrittsöffnungen 9, durch welche eingespeistes Wasser möglichst tur­ bulenzfrei nach oben austreten kann.

Unterhalb des Zwischenbodens 3 verlaufen in einer parallelen, horizontalen Ebene Schlangen 10 ei­ nes in einen Sekundär-Kreislauf, der durch den Pfeil 11 angedeutet ist, eingeschalteten Wärme­ tauschers.

In dem oberen Volumen B ist ein Temperatur-Sen­ sor 12 angeordnet, welcher mit einer Vergleichs­ einrichtung 13 verbunden ist, welche - wie im einzelnen nicht dargestellt - eine Einrichtung zum Einstellen einer Referenz-Temperatur T _ref aufweist, und welche diese mit der von dem Tempe­ ratur-Sensor 12 ermittelten Ist-Temperatur T _w vergleicht und in Abhängigkeit von diesem Vergleich die Pumpe 6 ansteuert.

Die Pumpe wird immer dann eingeschaltet, wenn die von dem Temperatur-Sensor 12 erfaßte Tempe­ ratur T _w die eingestellte Referenz Temperatur T _ref überschreitet.

Das obere Wasservolumen erwärmt sich bei Sonnen­ einstrahlung aufgrund seiner kleinen Menge und der vollständigen Extinktion des Lichtes teils im Wasser, teils am dunklen Zwischenboden 3 sehr schnell. Dieses erwärmte Wasser wird bei eingeschal­ teter Pumpe 6 über die Zuführanordnung 9 laminar unter den Zwischenboden 3 geschichtet, wobei einer Durchmischung zusätzlich zu der laminaren Einströmung auch noch ein horizontales Zwischen­ gitter 14 entgegenwirkt.

Ein entsprechender Volumen-Ausgleich für das durch die Pumpe 6 abgepumpte Wasser wird über die Leitung 4 vorgenommen, welche ein Steigrohr bildet. Das untere Ende dieser Leitung 4 mündet am kältesten Punkt des unteren Volumens A, und zwar zur Vermeidung eines "Kurzschlusses" zwischen warmem und kaltem Wasser an der der Rückführlei­ tung 7 entgegengesetzten Seite des Behälters 1. Wie in der Zeichnung durch die Pfeile angedeutet, strömt das Wasser nach oben in das kleine Volu­ men B.

Das laminare, vermischungsfreie Zuführen von Warmwasser direkt unter den Zwischenboden 3 führt zu einer quasi-isothermen Aufheizung. Wird dem Speicher kein Warmwasser entzogen, wächst die Warmwasserschicht langsam nach unten in das Spei­ chervolumen hinein, bis dieses vollständig mit Warmwasser gefüllt ist.

Durch die vorstehend beschriebene Grundanordnung wird erreicht, daß praktisch das gesamte Sonnen­ spektrum ausgenutzt wird, da außer dem kleinen Anteil des Spektrums, der durch die transparenten Schichten 2 absorbiert bzw. reflektiert wird, das gesamte Licht entweder direkt im Wasser oder auf der dunklen Oberseite des Zwischenbodens 3 in Nutzwärme umgewandelt wird. Durch die transpa­ rente Abdeckung 2 wird eine Windbeeinflussung der Oberfläche des Wassers vermieden. Die Strati­ fizierung des Wassers wird ohne Salzwasser aufgrund der natürlichen Schichtung unterhalb des Zwischen­ bodens 3 erreicht.

Wenn abweichend von der beschriebenen Ausführungs­ form der Speicher nicht durch einen Wärmetauscher entladen wird, sondern das Warmwasser direkt, z.B. über eine Pumpe, abgezogen wird, muß dafür gesorgt werden, daß automatisch über einen Füll­ standswächter geregelt kaltes Wasser turbulenz­ frei an Grunde des Speicherbehälters nachströmt, wenn heißes Wasser entzogen wird.

Gemäß einer für sich ebenfalls sehr vorteilhaf­ ten Variante kann die erfindungsgemäße Anordnung auch zur Erzeugung und Speicherung von kaltem Wasser herangezogen werden. Dabei wird die Pum­ pe 6 nur während der Nacht in Betrieb genommen. Während der Nacht strahlt das Volumen B durch das "atmosphärische Fenster" im Wellenlängenbe­ reich von 8 bis 13 µm Wärme gegen den kalten Nachthimmel ab. Das sich hierdurch abkühlende Wasser wird beim Erreichen einer durch den Tempe­ ratur-Sensor 12 erfaßten Referenz-Temperatur mittels der Pumpe 6 über die Rückführleitung 7 turbulenzfrei in den untersten Teil des Speicher­ volumens A gepumpt. Die dabei gewählte Einström- Geometrie ist spiegelbildlich zur Einström-Geome­ trie, wie sie im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben wurde. Sie gewährleistet, daß sich am Boden eine kontinuierlich nach oben anwachsen­ de Kaltwasserschicht bildet. Die Leitung 4, welche dem Volumen-Ausgleich zwischen den Volumina A und B dient, ist bei dieser Variante wesentlich kürzer und endet unmittelbar unterhalb des Zwischen­ bodens 3. Darüber hinaus wird bewußt auf eine mehrfache transparente Abdeckung des Volumens B verzichtet und stattdessen für eine möglichst transparente Abdeckung gesorgt. Verzichtet man ganz auf eine Abdeckung, kommt zusätzlich der Effekt der Verdunstungskühlung hinzu, was aber dazu führt, daß der hierdurch bedingte Wasserfluß kompensiert werden muß.

Entzieht man bei dieser Anordnung kaltes Wasser mittels eines dann am Grunde des Volumens A ange­ ordneten Wärmetauschers, wird die ursprünglich stabile Schichtung analog zu der Variante für die Warmwasserbereitung instabil. Durch die Erwär­ mung im unmittelbaren Bereich des Wärmetauschers steigt Warmwasser auf, so daß Zirkulationsströmun­ gen entstehen, die das Wärmetausch-Verhalten verbessern.

Diese letztgenannte Variante kann einerseits zu reinen Kühlzwecken eingesetzt werden, um z.B. in heißen Ländern Häuser zu klimatisieren, anderer­ seits kann sie in Kombination mit warmwassererzeu­ genden Speicherkollektoren auch dazu benutzt werden, das nurzbare Temperaturgefälle und damit den Wirkungsgrad von thermodynamischen Maschinen mit niedrigsiedenden Arbeitsmedien zu verbessern.

Claims (10)

1. Anordnung zum Sammeln und Speichern von Sonnen­ energie umfassend einen Speicherbehälter mit einer transparenten Abdeckung und einem dunklen, absorbierenden Boden sowie Zuführ- und Entnahme­ leitungen für Frisch- und Brauchwasser, dadurch gekennzeichnet, daß der dunkle Boden als den Behälter (1) horizontal in ein kleineres oberes und ein größeres, unteres Wasservolumen (B bzw. A) unterteilender wärmeisolierender Zwischenboden (3) ausgebildet ist, und daß eine Einrichtung zur Erzielung eines Wärmeausgleichs zwischen dem oberen Volumen und der Oberseite des unteren Volumens vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zum Wärmeausgleich durch eine dem oberen Volumen (B) wasserentziehende und der Oberseite des unteren Volumens (A) wasser­ zuführende Pumpenanordnung (6) gebildet ist, wobei wenigstens eine den Zwischenboden durchsetzende Verbindungsleitung vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem oberen Volumen (B) ein Temperatursensor (12) zugeordnet ist, welchem eine Vergleichsanordnung (13) zum Vergleich der von dem Sensor (12) gemessenen Temperatur (T _w ) mit einer voreinstellbaren Referenz-Temperatur (T _ref ) zugeordnet ist, wobei die Pumpe (6) der Pumpen­ anordnung dann eingeschaltet wird, wenn die gemessene Temperatur (T _w ) die Referenz-Temperatur (T _ref ) erreicht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenanordnung (6) eine Zuführanordnung (8) nachgeordnet ist, welche unterhalb des Zwischenbodens (3) in geringem Abstand parallel zu diesem über die gesamte Breite des Behälters verläuft, endseitig geschlossen ist und an der Oberseite mit einer Mehrzahl in Abhängigkeit von dem Druckabfall längs desselben größer werdenden Ausströmöffnungen (9) versehen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung eine Einlaufplatte umfaßt, an deren Oberseite in Abhängigkeit von dem Druckabfall längs dersel­ ben breiter werdende Querschlitze angeordnet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich dicht unterhalb der Zuführanordnung (8) ein der Ausbildung von Turbulenzen entgegenwirkendes, horizontales Git­ ter (14) angeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Wärmeausgleich durch wenigstens ein Wärmeaustauschrippen aufweisendes Wärmeleitungsrohr gebildet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Zwischen­ bodens (3) eine Wärmetauscheinrichtung (10) ange­ ordnet ist, welche in einen Sekundär-Kreislauf (11) eingeschaltet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Zwischen­ bodens eine Warmwasser-Entnahmeleitung angeordnet ist, und daß am Grund des unteren Volumens eine Kaltwasser-Zuführleitung mündet, welche über eine Ventilanordnung geöffnet wird, welche in Abhängigkeit von einer Füllstandsüberwachungs­ einrichtung betätigt wird.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) als in einem Gewässer verankerter Schwimm-Behälter ausgebildet ist.