DE4127236A1 - Waermekonzentrierender und waermepumpender solarkollektor mit selbsttaetigem kreislauf des waermetraegers - Google Patents

Description

Der Wirkungsgrad von Flachkollektoren wird durch die unver­ meidliche Wärmeabgabe vor allem an der Kollektordeckscheibe begrenzt. Zur möglichen Verringerung der Wärmeabgabe werden z. B. eine Reihe von transparenten Wärmedämmungen verwendet, wie z. B. mehrere Deckscheiben, Aerogelfüllungen, quadratische oder sechseckige Waben u.ä. Diese Wärmedämmungen und vor allem die transparenten Waben können auch in der vorliegenden Erfin­ dung benutzt werden.

Eine Verringerung der Wärmeabgabe an die Umwelt kann auch durch einen im Gegenstrom zur sich ausbreitenden Wärme flie­ ßenden Wärmeträger erfolgen. Hierbei sind Vorrichtungen mit flüssigen und gasförmigen Wärmeträgern bekannt.

Die vorliegende Erfindung arbeitet auch mit diesem Prinzip, verwendet aber einen aus mindestens zwei Komponenten bestehen­ den Wärmeträger, von denen mindestens eine Komponente unter Betriebsbedingungen verdampfbar ist. Durch die Verdampfung eines Stoffes wird eine im Vergleich zur Erwärmung des Stoffes im Bereich der hier auftretenden Temperaturen relativ große Wärmemenge benötigt. Dadurch kann der wärmeaufnehmende Wärme­ träger relativ langsam fließen. Durch eine geeignete Wahl der Komponenten kann die Wärmeaufnahme des Wärmeträgers in dem Temperaturbereich von der Außentemperatur bis zur maxima­ len Betriebstemperatur relativ konstant gehalten werden.

Im einzelnen werden Aufbau und Funktionsweise des erfindungs­ gemäßen Kollektors wie folgt beschrieben.

Nach Fig. 1 befindet sich in einem wärmegedämmten Kollektor­ gehäuse (1) unter der Deckscheibe (2) ein Hohlraum (3) ,der mit dem Wärmeträger angefüllt ist oder sich während des Be­ triebs des Kollektors anfüllt. Der Hohlraum kann auch aus röhrenartigen Aussparungen in der Deckscheibe oder einer zwei­ ten mit der Deckscheibe fest verbundenen Scheibe bestehen. Zur Kollektorinnenseite ist der Hohlraum durch eine licht­ durchlässige Scheibe (4) abgeschlossen.

Darunter ist durch einen Luftspalt getrennt eine zweite licht­ durchlässige Scheibe (5) angebracht. Durch beide Scheiben gehen mehrere flüssigkeitsdurchlässige Verbindungen mit ka­ pillarer Struktur (6), sodaß der Wärmeträger zu den Waben (6) durchsickern kann, die ebenfalls aus kapillarem Material be­ stehen oder eine kapillare Oberflächenstruktur aufweisen. Die Waben (7) sind mit der lichtabsorbierenden Fläche (8) verbunden und weisen in deren Nähe Öffnungen auf, durch die insbesondere die gasförmigen Teile des Wärmeträgers strömen können. Durch die Tränkung mit dem Wärmeträger werden die ka­ pillaren Materialien transparent, sodaß die Lichtdurchlässig­ keit einen hohen Wert annehmen kann. Durch die Verdampfung eines Teils des Wärmeträgers und den Anstieg der Temperatur entsteht im Inneren des Kollektors ein Gasdruck, der sich we­ gen der kapillaren Struktur des Durchflusses durch die wärme­ dämmenden Scheiben nicht in Richtung der Deckscheibe ausbrei­ ten kann. Der Gasdruck dient dazu, um den Wärmeträger und die verdampften Anteile desselben, die durch den geneigt stehen­ den Kollektor an das untere Ende gelangt sind, hinter der lichtabsorbierenden Fläche (8) wieder nach oben zu pumpen, damit der Wärmeträger von neuem den Kollektor durchströmen kann. In den Röhren oder Wärmetauschergefäßen (9) in diesem Teil des Kollektors werden die verdampften Teile des Wärmeträ­ gers von der verbliebenen Sole wieder absorbiert. Die dabei entstehende Wärme wird an den vor der lichtabsorbierenden Fläche fließenden Wärmeträger abgegeben. Die Röhren oder Wärmetauschergefäße sollen eng genug sein, damit die hochge­ pumpte Flüssigkeit nicht zurückfließen kann. Am unteren Ende des Kollektors mag die Nutzwärme durch die Ab- und Zuleitungen (10) entnommen werden.

Der Kollektor kann auch nach Art einer Absorber-Wärmepumpe be­ trieben werden. Zu diesem Zweck werden die getrennten Kompo­ nenten des Wärmeträgers nicht sogleich hinter der lichtabsor­ bierenden Fläche wieder vereinigt und durch die Verbindungs­ leitung (8) wieder dem Hohlraum unter der Deckscheibe (2) zu­ geführt, sondern Dampf und verbliebene Sole werden durch ge­ trennte Wärmetauschergefäße hinter der lichtabsorbierenden Fläche hindurchgeführt und durch Ableitungen (12) in ein Wärme­ tauschergefäß (10) geleitet, in dem sich die Komponenten unter Abgabe ihrer Kondensationswärme vereinigen und diese Wärme als Nutzwärme abgeführt wird. Durch die Absorption entsteht im Kollektor ein Unterdruck, der zu einer weiteren Verdampfung von Teilen des Wärmeträgers führt, sodaß damit Wärme aus der Umgebung entnommen werden kann.

Die Wärmerückführung des Wärmeträgers hinter der lichtabsor­ bierenden Fläche (8) geschieht auf einer verhältnismäßig langen Strecke im Vergleich zur Wärmeaufnahme des Wärmeträgers auf der Strecke Deckscheibe-lichtabsorbierende Fläche. Der ver­ bleibende Durchgang der Wärme durch den Wärmetauscher nach Abzug der Wärmeaufnahme und -abgabe geschieht auf der gesamten Weglänge der Wärmetauscher. D.h. der Wärmedurchgang der bei den bisher üblichen Kollektoren auf der recht kurzen Strecke von der lichtabsorbierenden Fläche und der Deckscheibe ver­ lief, wird jetzt auf die gesamte Weglänge der Wärmeauf- und -ab­ nahme ausgedehnt. Dadurch kann der verbleibende Wärmeverlust an die Umgebung recht geringe Werte annehmen, soweit dieser Verlust nicht sowieso durch die Wärmepumpe ausgeglichen wird.

Der Durchfluß des Wärmeträgers durch den Kollektor von der Deckscheibe her soll mit zunehmender Annäherung an das untere Ende des Kollektors größer werden, weil sich die Wärme in dieser Richtung konzentriert. Das wird am einfachsten durch den nach unten größer werdenden Druck des in dem Hohlraum zwischen Deckscheibe (2) und wärmedämmender Scheibe (3) be­ findlichen Wärmeträgers erreicht.

Fig. 2 zeigt eine Aufrißdarstellung des Kollektors, in dem wichtige Teile des Kollektors nach Fig. 1 wiederzuerkennen sind, wie z. B. das Gehäuse (14), die Deckscheibe (15), die wärmedämmende Scheibe (16). (Für Wärmepumpenbetrieb ist nur eine Scheibe erforderlich), die Waben (17), die lichtabsorbierende Fläche (18) und die Wärmetauschergefäße (19) dahinter.

Claims (3)

1. Solarkollektor, der mit einer strahlungsdurchlässigen Schei­ be abgedeckt und in einem wärmeisolierten Träger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiger Wärmeträger verwendet wird, der aus einem Zweistoffpaar besteht, von dem mindestens eine Komponente bei Betriebstemperatur verdampfbar ist, daß der Wärmeträger entgegen der Wärmeausbreitung durch wärmeisolieren­ de Elemente wie z. B. quadratische oder sechseckige Waben sic­ kert, daß der Wärmeträger durch fortschreitende Verdampfung einer oder beider Komponenten Wärme aufnimmt, daß die verdampf­ te(n) Komponente(n) und die verbliebene Sole entlang einer lichtabsorbierenden Fläche zum unteren Ende des geneigt steh­ enden Kollektors geleitet wird(werden), daß dem Kollektor hier Nutzwärme entzogen werden kann, daß der Wärmeträger danach durch Röhren oder geeignete Gefäße hinter der lichtabsorbieren­ den Fläche hindurchgeleitet wird, damit er seine verbliebene Wärme an den vor der lichtabsorbierenden Fläche strömenden Wär­ meträger abgeben kann, daß dabei die Ausdehnung der verdampften Komponente(n) des Wärmeträgers ausgenutzt wird(werden), die den Dampf und die flüssigen Bestandteile vorwärtstreibt(-treiben), daß die Röhren oder Wärmetauschergefäße hinter der lichtabsor­ bierenden Fläche so dünn gestaltet sind, daß durch die Adhäsi­ onskräfte ein Zurückfließen der Flüssigkeit vermieden wird, daß der Wärmeträger anschließend in einen Hohlraum zwischen der Deckscheibe und einer lichtdurchlässigen Scheibe gelangt, daß eine weitere lichtdurchlässige Scheibe durch einen Luft­ spalt getrennt darunter angebracht sein kann, daß durch die lichtdurchlässige(n) Scheibe(n) hindurch mehrere flüssigkeits­ durchlässige Verbindungen mit kapillarer Struktur bestehen, durch die der Wärmeträger auf die Kollektorinnenseite durch­ sickern kann, wo er von neuem verdampfen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger nach seinen Komponenten (Dampf, flüssige Phase) getrennt hinter der lichtabsorbierenden Fläche zurück­ geführt wird und Wärme abgibt, daß die Absorption des Dampfes von der verdünnten Sole in einem eigenen Gefäß nach Durchlau­ fen des Kollektors stattfindet, daß die abgegebene Wärme als Nutzwärme gebraucht werden kann und daß die konzentrierte Sole dem Kollektor wieder zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1. und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Wärmeträger Stoffpaare wie z. B. Ammoniak-Wasser, LibBr-Wasser, Alkohol(Äthyl,Methyl)-Wasser, Glykol-Wasser, Glyzerin-Wasser und ähnliche verwendet werden.