DE4224968A1 - Vorrichtung zur solaren erwaermung von fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung der Sonnenenergie für die Erwärmung von Flüssigkeiten sowie einen zugehörigen Speicher zur effektiven Speicherung von Wärmeenergie.

Die Vorrichtung zur Strahlungserwärmung von Flüssigkeiten kommt bevorzugt zur Brauchwassererwärmung mittels Solar­ energie zum Einsatz. Darüber hinaus kann die vorgeschlage­ ne verlustarme Speicherung erwärmter Flüssigkeiten auch allgemein Anwendung finden.

Entsprechend der konstruktiven Gestaltung unterscheidet man bei Sonnenkollektoren zur Erwärmung von Brauchwasser zwei Ausführungen, Platten- bzw. Flachkollektoren und Röhrenkollektoren. Plattenkollektoren besitzen eine metallische Absorberfläche, die mit dem Wasserkreislauf verbunden und in einem thermisch isolierten Gehäuse, ggf. im Vakuum eingebettet ist.

Zur Verringerung der Wärmeverluste durch Konvektion wurden Röhrenkollektoren entwickelt, bei denen streifenförmige Absorberelemente, die mit dem Wasserkreislauf in Kontakt stehen, in evakuierten Glasröhren eingeschmolzen sind.

Nachteilig bei beiden Systemen ist, daß zwischen der Absorberbeschichtung, in der die Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt wird, und dem eigentlichen Wärmeträger mehrere Übergänge vorhanden und von daher Verluste unvermeidlich sind (Absorptionsschicht-Metallplatte-Rohrsystem- Flüssigkeit im Zwischenkreislauf, Übergänge beim Wärmeaus­ tauscher im Speicher bzw. beim Wärmerohr).

Desweiteren ist das Verhältnis von Absorberfläche zur Fläche, die durch die Absorberflüssigkeit gegenüber der Einstrahlungsrichtung in Anspruch genommen wird, relativ groß, so daß die umgesetzte Wärme ausschließlich durch Leitung transportiert werden muß.

Bei Röhrenkollektoren werden hohe Anforderungen an die physikalischen Parameter des Ausgangsmaterials und an die Fertigungstechnologie gestellt, so daß sich von daher hohe Herstellungskosten ableiten.

Bisherige Versuche, Glas im Absorber einzusetzen, waren nicht erfolgreich. Als Schwachstelle solcher Systeme muß der einseitige koaxial gestaltete Zu- und Abfluß gesehen werden, der keine vollständige Entlüftung des Flüssigkeits­ kreislaufs ermöglicht und einen unerwünschten thermischen Ausgleich bewirkt. Auch die Trennung der Absorberbeschich­ tung von der Flüssigkeit durch schlecht wärmeleitendes Glas muß als nachteilig angesehen werden. Eine diskonti­ nuierliche Betriebsweise wird durch die unkontrollierbare Vermischung der bereits erwärmten Flüssigkeit mit der zugeführten kalten verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist der Einsatz von Glasmaterialien aus dem Recycling-Prozeß zur Nutzung in alternativen Ener­ giequellen bei Gewährleistung eines hohen Gesamtwirkungs­ grades, wobei die Anforderungen an die Konstanz, die Homo­ genität der Konstruktionswerkstoffe durch eine neue kon­ struktive Konzeption gering sein können.

Erfindungsgemäß erfolgt die Energieumwandlung im Strah­ lungskollektor unmittelbar im Absorber bzw. in der Absor­ berflüssigkeit.
Mit dem Kollektor ist sowohl eine kontinuierliche als auch diskontinuierliche Betriebsweise möglich. Dazu mußte die fehlende thermische Orientierung herkömmlicher Systeme überwunden werden.

Durch die Anwendung eines zugehörigen neuartigen Speichersystems wird der Gesamtwirkungsgrad solcher Anlagen verbessert.

Um für den Strahlungskollektor Materialien aus dem Glasrecycling, deren physikalische Eigenschaftswerte naturgemäß Schwankungen unterworfen sind, einsetzen zu können, muß für die Verbindung von Konstruktionselementen ein Verschmelzen vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Lösung wird für den Kollektor im wesentlichen durch zwei Ausführungsformen realisiert. Das ist einmal das offene, direkte Flachkollektorsystem und zum anderen das offene oder geschlossene, direkte Röhren­ kollektorsystem.
Als Konstruktionselemente werden eingesetzt; Für das Flachkollektorsystem: der Absorber, der aus zwei durch Stabilisierungselemente verbundene Glasscheiben mit einer Dicke von ca. 4 mm besteht. Der zwischen diesen Scheiben, die im Abstand von etwa 10 bis 20 mm angeordnet sind, gebildete Hohlraum ist mit Absorberflüssigkeit gefüllt.

Weitere Konstruktionselemente des Absorbers neben den beiden beabstandeten Glasscheiben sind die erforderlichen abdichtenden Randverbindungen und die Zu- und Abflußein­ richtungen.
Die Absorberwirkung wird dadurch unterstützt, daß die Glasscheiben selbst absorbieren oder entsprechend beschichtet sind, wobei diese Maßnahmen so angelegt sind, daß die Absorption der Strahlung im wesentlichen auf der Absorberinnenseite vorzugsweise auf der mit der Flüssigkeit beaufschlagten hinteren Glasscheibe des Absorbers erfolgt.
Natürlich kann auch nur die der einfallenden Strahlung zugekehrte Scheibe auf ihrer Innenseite mit einer Absorp­ tionsschicht versehen sein.

Die Beschichtung des Absorbers, vorzugsweise der Absorbervorderseite kann auch Glaspulver beinhalten. Dadurch wird einhergehend mit der Vergrößerung der wirksamen Oberfläche des Absorbers die Wärmespeicherung verbessert.
Als Absorptionsschicht wird beispielsweise Emaille oder wärmebeständiger Solarlack eingesetzt.

Bei der konstruktiven Ausführung eines Flachkollektor­ systems nach dem beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau soll ausdrücklich eine Ausführungsform hervorgehoben wer­ den, bei der die Distanz zwischen den Scheiben zur Bildung des die Absorberflüssigkeit aufnehmenden Hohlraumes ca. 1 bis 10 mm beträgt.
Dieses quasi extreme Flachkollektorsystem führt dazu, daß das Absorbermedium als Flüssigkeitsfilm sehr schnell erwärmt wird und damit bei kleinster Zeitkonstante erwärmte Flüssigkeitspakete in schneller Folge in den Betriebskreislauf des thermischen Kollektors gelangen.

Für das Röhrenkollektorsystem werden analog folgende Konstruktionselemente eingesetzt: der aus vorzugsweise eingefärbten, in mehreren Lagen angeordneten Glasröhren bestehende Absorber. Die Glasrohre überspannen vorzugswei­ se doppelreihig die Kollektoreintrittsfläche und sind mit geeigneten Dichtungselementen in die Verteiler eingebun­ den.
Dabei wird es mit einer derartigen Ausführung möglich, die Wärmeträgerflüssigkeit über die gesamte Strahlungsein­ trittsfläche des Kollektors zu verteilen. Das erfolgt im wesentlichen dadurch, daß die eingefärbten und/oder mit Glaspulver beaufschlagten Glasröhren möglichst lückenlos angeordnet und in den Verteilern dicht miteinander verbun­ den sind.
Die Einstellung dünner Flüssigkeitsschichten bzw. die Erzeugung kleiner Flüssigkeitsvolumina wird bei Glasrohr­ absorbern durch eine Doppelrohrausführung erreicht, wobei der hierbei konzentrisch geführte Flüssigkeitsfilm eben­ falls eine Stärke von 1 bis 10 mm aufweist.

Die Einstellung kleiner Flüssigkeitsvolumina sowohl beim erfindungsgemäßen Flachkollektorsystem als auch bei den erfindungsgemäßen Glasrohrabsorbern kann auch durch Füllung mit absorbierender Glasfritte erreicht werden. Selbstverständlich kann auch die konzentrische Doppelrohr­ ausführung mit einer Glasfritte-Füllung kombiniert werden.

Der weitere Aufbau und die Wirkungsweise entsprechen dem Flachkollektorsystem.

Zur ausreichenden thermischen Isolation des Absorbers werden bekannte Mittel eingesetzt, wie äußere und innere Abdeckscheibe, Isoliermaterial u. a.m. Zusätzlich erfolgt erfindungsgemäß der Einbau eines vorzugsweise aus Glas- und/oder Plastlamellen bestehenden Rasters zwischen äuße­ rer und innerer Scheibe und vor dem Absorber, wodurch eine großflächige Konvektion verhindert wird.

Durch Zusätze wird die Verwendung von silikatischen Materialien nicht nur als Behälterwerkstoff sondern auch als aktives Absorbermaterial möglich. Die Energieumwand­ lung erfolgt dabei nicht mehr in einer dünnen aufgetrage­ nen Schicht, sondern vorgebbar im Materialvolumen. Solche Zusätze können beispielsweise Metalloxyde sein, die chemisch oder physikalisch gebunden und/oder als Füllstoff eingebracht sind.

Die konsequente Anwendung des Prinzips, die Energieum­ wandlung unmittelbar in der Absorberflüssigkeit zu bewirken und nicht eine verlustbehaftete Übertragung anzuwenden, setzt eine flächenhafte Verteilung der Absorberflüssigkeit voraus. Diese flächenhafte Verteilung im Kollektor wird durch die vorbeschriebene erfindungsgemäße Ausführung des Absorbers erreicht.

Bei Systemen mit Zwischenkreislauf (indirekte Systeme) wird die unmittelbare Energieumwandlung in der Absorber­ flüssigkeit durch Beimengungen beispielsweise in Form von Anilin- und Methylenfarben erreicht/unterstützt.

Der Energiegewinn von Anlagen zur Nutzung der Solarstrah­ lung ist starken Schwankungen unterworfen, deshalb kommt dem einer wirtschaftlichen Lösung immanenten Speicher­ system besondere Bedeutung zu. Das dabei zur Anwendung kommende Grundprinzip beinhaltet eine Aufteilung des Spei­ chervolumens und eine Programmierung bezüglich des aktuel­ len Bedarfs hinsichtlich Flüssigkeitsmenge, Temperatur und Bereitstellungszeitpunkt. Die Speichergefäße sind aus energetischen Gründen ineinander angeordnet.

Nach Aufheizung der Flüssigkeit im äußeren Gefäß auf das erste gewünschte Temperaturniveau erfolgt nach Umschaltung über ein Thermostatventil die Wärmezufuhr zum inneren Gefäß bis zur Aufheizung auf ein zweites Temperaturniveau usw. Reicht die solare Energiezufuhr nicht aus, wird eine elektrische Zusatzheizung eingeschaltet.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung kann den Patentansprüchen entnommen werden.

Herkömmliche Sonnenkollektorsysteme müssen, durch das Gesamtkonzept begründet, einen hohen technischen Ausstattungsgrad (Umwälzpumpen, Regelungstechnik) besitzen. Die erforderlichen Ausgangsmaterialien und Herstellungsverfahren bedingen hohe Anschaffungskosten. Neben dem Einsatz von Sonnenkollektoren in Eigenheimen, im gesellschaftlichen und industriellen Bereich besteht ein bedeutender Bedarf für Kleingärten und Wochenend- bzw. Ferienhäuser, allerdings saisonbedingt. Von daher gewinnt die Kostenfrage erhebliche Bedeutung. Die vorgeschlagene Erfindung trägt diesen Gesichtspunkten Rechnung.

Das beschriebene Kollektorsystem zeichnet sich im Zusam­ menhang mit der Vermeidung von Übertragungsverlusten und einer effektiven Speicherung durch einen hohen Gesamtwir­ kungsgrad aus. Die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärmeenergie erfolgt unmittelbar in der Kollektorflüssig­ keit. Die Möglichkeit der Vorgabe des jeweils erforderli­ chen Speichervolumens sowie die Speicheraufteilung und -anordnung entsprechend den gewünschten Brauchwassertempera­ turen erhöht den Gesamtwirkungsgrad der Anlage.

Die Herstellungstechnologie ist gegenüber vergleichbaren Systemen wesentlich vereinfacht, weil auf komplizierte Verbindungsverfahren verzichtet wird und die Anforderungen an die Ausgangsmaterialien gering sind.

Durch den Einsatz von Materialien aus dem Recycling-Prozeß liegen die Gesamtkosten gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich niedriger.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 die Ausführung als Flachkollektorsystem,

Fig. 2 die Ausführung als Röhrenkollektorsystem,

Fig. 3 ein konzentrisches Doppelrohr für ein Röhrenkollek­ torsystem,

Fig. 4 den zugehörigen Speicher.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines offenen, direkten Flachkollektorsystems dargestellt.

Eine gute thermische Isolation, die für den Absorber erforderlich ist, wird durch die äußere Abdeckscheibe (4) aus Einscheibensicherheitsglas, die innere Glasscheibe (5) und auf der Rückseite durch Isolationsmaterial (11) gewährleistet. Die gewählten Materialstärken betragen für die äußere Abdeckscheibe (4) 4 mm und die innere Glas­ scheibe (5) 3 mm.

Der Einbau eines aus Glas- oder Plastelamellen bestehenden Rasters (3) zwischen äußerer und innerer Scheibe und vor dem Absorber verhindert eine großflächige Konvektion und verringert dadurch die Verluste. Die Absorberflüssigkeit (12), vorzugsweise Wasser, befindet sich zwischen zwei, durch Stabilisierungsstreifen verbundenen Glasscheiben (6) und (10), von denen die der einfallenden Strahlung zugekehrte Scheibe (6) innen mit der Absorptionsschicht (7) versehen ist. Die beiden Scheiben (6) und (10) haben eine Materialstärke von 4 mm und sind am Rand mittels Siliconkleber (9) miteinander dicht abschließend verbun­ den. Der bei einer Distanz der Glasscheiben (6) und (10) von 10 mm gebildete Hohlraum beträgt ca. 5 Liter. Als Absorptionsschicht (7) wurde ein Emailanstrich aufge­ tragen.

Ein Zu- und Abflußverteilerrohr (8) bewirkt eine flächenhafte Strömung im Absorber. Die Absorberanschlüsse sind mit dem oben liegenden Speicher (1) verbunden. Sämtliche Verbindungen zwischen den Flüssigkeit führenden Konstruktionselementen sind als zuverlässig dichtende Steckverbindungen ausgeführt. Über einen Thermoauslöser wird die Schutzmatte (2) bei Frost- oder Überhitzungsge­ fahr vor den Kollektor bewegt. Bei Außerbetriebnahme ge­ währt die Matte auch Schutz gegen Verschmutzung oder me­ chanische Einflüsse.

Bei manchen Einrichtungen wird die Bereitstellung von unter Druck stehendem Warmwasser vorausgesetzt. Dafür kommt die in Fig. 2 dargestellte Ausführung zur Anwendung, in der für den Absorber eingefärbte Glasrohre (13) einge­ setzt werden. Die Rohre überdecken doppelreihig die Kol­ lektoreintrittsfläche und sind mit Silikongummidichtungen (14) in die Vierkantprofilverteilerrohre (15) aus Edel­ stahl eingesetzt. Der übrige Aufbau entspricht der in Fig. 1 dargestellten Ausführung. Das Leitungssystem für die Kollektorflüssigkeit ist mit Druckregler, Ausdehnungsge­ fäß und Sicherheitseinrichtung versehen.

Der in Fig. 2 dargestellte Kollektor kann auch als in­ direktes System betrieben werden. Dazu sind Umwälzpumpe und Speicher mit Wärmeaustauscher nötig. In diesem Fall kann durch Zusätze in der Absorberflüssigkeit (z. B. Anilinfarben bzw. Methylenfarben) die Strahlung unmittel­ bar umgesetzt und die Anlage frostsicher gemacht werden. Durch die dosierte Zugabe von Zusätzen kann die Eindringtiefe und Absorption der Strahlung durch das Wasser vorgegeben werden.

Fig. 3 zeigt ein konzentrisches Doppelrohr, so wie es in einem Röhrenkollektorsystem in Doppelrohrausführung eingesetzt werden kann.
Der effektive, für den Flüssigkeitsstrom nutzbare Abstand zwischen den beiden Rohrwandungen beträgt ca. 5 mm.

Mit dem beschriebenen, einfachen Kollektorsystem sind unterschiedliche Betriebsweisen möglich.
Bei geringem Strahlungsangebot kann nur das im Absorber befindliche Wasser erwärmt und bei Bedarf verbraucht werden.
Für den Warmwasserverbrauch lassen sich vorzugsweise zwei Temperaturniveaus angeben: Waschen, Duschen, Baden bis 40°C und für Reinigungszwecke im Küchenbereich bis 60°C. Diesem Sachverhalt wird durch den in Fig. 3 dargestellten Speicher entsprochen. Das innere Gefäß (16) mit der Isolation (18) ist für das Wasser mit der höheren Temperatur (19) vorgesehen, für das äußere Gefäß (17) mit der Isolation (18) wird dadurch auch dessen Verlustwärme mitgenutzt.

In Abhängigkeit von der eingestrahlten Energie wird zuerst das Wasser im äußeren Gefäß (17) auf das niedere Niveau erwärmt und danach durch Umschaltung mittels eines mit dem Kollektor verbundenen Thermostatventils (21) das innere Gefäß (16) aufgeheizt. Über eine einfache Steuerung kann die benötigte Wassertemperatur und -menge und der Zeit­ punkt, an dem es zur Verfügung stehen soll, programmiert werden. Reicht das Strahlungsangebot zur Realisierung des Programms nicht aus, schaltet sich automatisch die elek­ trische Zusatzbeheizung (22) ein. Das heiße Wasser steht über die Stutzen (23.1; 23.2) und das warme Wasser über (24.1; 24.2) zur Verfügung. Beide Gefäße sind über (25.1; 25.2) drucklos gehalten. Die Anschlußstutzen (26.1; 26.2) stehen unter Einbeziehung einer Schwerkraftklappe mit dem Kollektor in Verbindung.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur solaren Erwärmung von Flüssigkeiten unter Nutzung von Flach- bzw. Röhrenkollektoren, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Absorber im wesentlichen aus silikatischen Materialien in platten- und/oder röhrenförmiger Bauweise (6; 10; 13) aufgebaut sind und der Kollektor mit einem Speichersystem (1) zur Aufnahme der aufgeheizten Flüssigkeit verbunden ist, das zwei Speichergefäße (16; 17) besitzt, die ineinander angeordnet sind und daß Regeleinrichtungen zur Einstellung von Flüssigkeitsmenge, Temperatur und Bereitstellungszeit­ punkt vorhanden sind, wobei im Speichersystem eine elek­ trische Zusatzheizung (22) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Konstruktionselemente für offene Systeme zwei durch Stabilisierungselemente verbun­ dene und auf Distanz gehaltene Glasscheiben (6; 10), mit den erforderlichen abdichtenden Randverbindungen, Zu- und Ableitungseinrichtungen eingesetzt sind, wobei die Schei­ ben (6; 10) selbst absorbieren und/oder zumindest die der einfallenden Strahlung zugekehrte Innenseite der Scheiben des Absorbers, vorzugsweise der hinteren Scheibe entspre­ chend beschichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstärke der Schei­ ben (6; 10) des Absorbers ca. 4 mm und die Distanz zwi­ schen den Scheiben zur Bildung des die Absorberflüssigkeit (12) aufnehmenden Hohlraumes etwa 1 bis 20 mm beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausführung eines extremen Flachkollektorsystems die Distanz zwischen den Glasschei­ ben (6; 10) zur Bildung des die Absorberflüssigkeit auf­ nehmenden Hohlraumes ca. 1 bis 10 mm beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber des Röhrenkollek­ torsystem aus eingefärbten, in mehreren Lagen angeordneten Glasröhren (13) besteht, wobei die Glasröhren vorzugsweise doppelreihig die Kollektoreintrittsfläche überspannen und mittels geeigneter Dichtungselemente in die oberhalb und unterhalb der Rohröffnungen liegenden Verteiler (15) ein­ gebunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Absorber des Röhrenkollek­ torsystems die Wärmeträgerflüssigkeit über die gesamte Strahlungseintrittsfläche des Kollektors verteilt ist, in dem die eingefärbten Glasröhren (13) möglichst lückenlos angeordnet und in den Verteilern (15) dicht miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber, vorzugsweise die Absorbervorderseite mit Glaspulver beschichtet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung dünner Flüssigkeitsschichten der Glasrohrabsorber (13) in konzentrischer Doppelrohrbauweise ausgeführt ist, wobei der für die Führung des Flüssigkeitsfilmes nutzbare Abstand etwa 1 bis 10 mm beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung kleiner Flüssigkeitsvolumina in die Absorber eine aus Glasfritte bestehende Füllung eingebracht ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Glasfritte bestehende Füllung absorbierende Eigenschaften aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der Konvektionsverluste am Kollektor der Einbau eines vorzugsweise aus Glas- und/oder Plastlamellen bestehenden Rasters (3) zwischen äußerer und innerer Abdeckscheibe (4; 5) und vor dem Absorber (6; 13) erfolgt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte silikatische Material Recycling-Glas ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das silikatische Material durch Zusätze in Form von vorzugsweise Metalloxyden, die chemisch oder physikalisch gebunden und/oder als Füllstoff eingebracht sind nicht nur als Behältermaterial sondern als aktives Absorbermaterial einsetzbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betreiben des Kollektors im indirekten System zur Verbesserung der unmittelbaren Umsetzung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie in der Absorberflüssigkeit (12) Zusätze beispielsweise in Form von Anilin- und Methylenfarben eingebracht sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor zum Schutz gegen extreme Belastungen aus der Umwelt (extreme Temperaturen, Schmutz u. a. m.) eine jalousieartige Schutzvorrichtung (2) aufweist und für den Fall eines Anlagenstillstands oder fehlender Entnahme eine Belüftungs- bzw. Kühlvorrichtung besitzt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichergefäße (16; 17) unterschiedliche Volumina und Temperaturen aufweisen.