CN101960231B - 热太阳能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有收集器的热太阳能系统，该收集器通过包含载热介质的太阳能回路与热沉连接，特别是与蓄热器连接。为了降低系统在空转期间过热的危险和改善太阳能系统的效率，提出：太阳能回路能够借助阀控制件与至少一个换热器暂时连接，该换热器布置在热发电器的接收流入的热流的热侧上，并且阻热机构在热太阳能系统的收集器与换热器之间减少了热能交换。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有收集器的热太阳能系统，该收集器通过包含载热介质的太阳能回路与热沉连接。
背景技术
如下的太阳能系统被称为热太阳能系统，所述太阳能系统使来自太阳辐射的热量能够被人们利用(太阳热能)。该热量特别可用于建筑工程学或者用于发电的热太阳能发电站。相对地，将太阳光直接转换为电流被称作光电效应，相应的系统为光电系统。
在热量获取时，热收集器的吸收器通过太阳能得以加热。载热介质流动穿过收集器。泵将载热介质输送入到太阳能回路中，通过该太阳能回路将热量从收集器送至热沉，特别是太阳能蓄热器；该太阳能蓄热器吸收热量并将热量储存。
收集器是太阳能系统中的如下部件，该部件吸收太阳热量并将所吸收的热量尽可能无损失地传递至太阳能回路中的载热介质。
收集器中的最重要结构区别是平板式收集器和管式收集器。技术上来讲，平板式收集器与管式收集器的区别在于对吸收器的隔热。在真空管式收集器中，通过玻璃管中的真空实现隔热作用，从而所述真空完全禁止通过对流进行的热量传输。
平板式收集器使用常规的隔热材料，例如矿棉或聚氨酯泡沫。常规隔热材料的隔热效果不如真空，因此需要较大的收集器面积，用以达到相当的功率值。目前的高效平板式收集器使用铜质吸收器工作。然而，由于平板式收集器明显更为廉价并且一般比真空管式收集器更为经济，因此在建筑设备工程技术中主要使用这种结构类型。
太阳能蓄热器与常规的蓄水箱(Brauchwassertank)的区别首先在于非常强的隔热、高且细长的储水容器结构形式(这种储水容器结构形式允许产生不同的温度层(上部为热水，下部为冷水))以及安置得很深的、大面积的用于传递来自太阳能回路的热量的换热器。
一旦收集器中的温度比太阳能换热器处的温度高出一定的温度差时，则通过控制装置启动泵并将热量运输至太阳能蓄热器中；一旦收集器与蓄热器之间的温度差低于极限值，则所述系统停工。
市面上的收集器可以将打到收集器表面的太阳能的60％至70％转化为可利用的热量。在该收集器中大多使用水-丙二醇-混合物(比例60∶40)作为载热介质。通过添加40％的丙二醇可以获得直至-23℃的防冻保护，在-23℃以下结冰但不会发生冻裂(Frostsprengung)，并且熔点根据压强可以为150℃或更高。在更高的温度下，许多收集器进入停止工作状态并不再给送能量。
在供热采暖季节之外，热太阳能系统仅反复用于对热水加热。这导致了该系统较低的总效率。在该系统的停止工作状态下存在过热的危险并且进而损坏热太阳能系统。
发明内容
因此，从现有技术出发，本发明基于如下任务，即，完成一种热太阳能系统，其中，过热的危险得以降低并太阳能系统的效率、特别是在供热采暖季节之外的效率得到改善。
该任务的解决方案基于如下设想，即，热太阳能系统以如下方式与热电发电器连接，即，收集器的未被利用的热量可以被用于在热发电器中，特别是在收集器空转时产生能量。
详细来讲，该任务通过开头所提及类型的热太阳能系统以如下方式来解决：该太阳能回路能够借助阀控制件与至少一个换热器暂时连接，该换热器置在热发电器的接收流入热流的热侧上，并且阻热机构在热太阳能系统的收集器与换热器之间减少热能交换。
为了将过量的热量与太阳能回路断开，太阳能回路可以通过阀控制件特别是在热太阳能系统的空转阶段与换热器暂时连接，该换热器置于热电偶(Thermoelement)的热侧。收集器与换热器之间的阻热机构很大程度上阻止了在工作阶段，也就是当最大热流应输送给热沉，特别是输送给蓄热器时，从所述收集器带走热量并输出至热发电器。
在本发明中，阻热机构应被理解为是用于抑制热太阳能系统的收集器向与热发电器连接的换热器散发热能的手段。
在本发明中，收集器这一概念包括由一个或多个太阳能收集器(例如，平板式收集器和管式收集器)组成的系统，所述太阳能收集器可以相互串接和/或相互并接。
这种收集器通过太阳能回路与热沉连接。作为热沉特别考虑蓄热器，以便可以不依赖于当前太阳辐射而利用由收集器吸收的热量。但也可以考虑的是，由收集器吸收的热量通过太阳能回路直接输送至作为热沉的起作用的消耗器。
当带有热发电器的板状换热器平面式地布置在收集器的非工作的(passiv)背侧上时，在收集器与换热器之间存在由隔热材料、特别是由发泡塑料或矿棉形成的阻热中间层来作为阻热机构。
只要空间状况允许，板状换热器可以与热发电器实施为单独于收集器的结构单元运行。在这种情况下，收集器与板状换热器之间的间距确保了在收集器的工作阶段中几乎没有热量通过对流传输至换热器并且因此降低热太阳能系统的总效率。此外，作为单独的结构单元的实施方案的优点在于，在热发电器的热侧上可以布置有吸收器，用于接收进入的太阳辐射的能量，该吸收器将额外的能量引入太阳能系统，该额外的能量要么被完全利用以产生电流要么被部分用到太阳能回路中，用以加热蓄热器。
对于后面提到的混合运行方案(Hybridbetrieb)需要的是，阀控制件具有连续阀(Stetigventil)，该连续阀允许调整太阳能回路以及换热器中载热介质的体积流。
在热太阳能系统的简单的构造方案中，收集器可以借助至少一个多通阀选择性地与热发电器的蓄热器或换热器连接。
当前流线路(Vorlauf)和回流线路中接入各至少一个三通阀/二通阀时，热发电器的换热器可以与太阳能回路完全断开。
对从收集器向热发电器的通流路径的开放特别在空转时，也就是在蓄热器得到充分加热时进行，以防止太阳能系统过热并且进而损坏热太阳能系统。在空转时，总热流从收集器导向换热器，并且在所联入的热发电器中部分地转换为电能。在蓄热器的加热过程中，没有热能被引导至热发电器。
阀控制件的多个或一个阀可由手来操作。然而，优选为电操作的多通阀或连续阀，所述阀由太阳能系统中已有的控制件来操作，该控制件基于其探测器识别出热太阳能系统的空转，在识别后，对于每个阀触发切换指令。对于较为复杂的混合运行模式，在考虑到来自蓄热器的热输出以及收集器处的太阳辐射强度和持续时间的情况下，控制件通过至少一个连续阀适于需要地将载热介质一方面分配至蓄热器，另一方面分配至热发电器。
作为热发电器运行的热电偶根据塞贝克效应产生电压。大量的热偶对(Thermopaar)接在一起形成热电偶。热发电器可以包括一个或多个热电偶，所述热电偶串接地和/或并接地电接入。用在热电偶中的热电势依赖于温度并且在几微伏的范围内变动。一些合金由于其在确定温度下的性能可被做成热偶对，并且在-270℃至2600℃的温度范围内形成一系列(Palette)的热电材料组合物(热偶对)。所述系列包括在标准中并且得以限定。目前对于热电偶可用的国际标准为IEC 584-1，在德语地区对应内容为DIN EN 60584的第1部分。该标准按照热电材料组合物的性能限定了10种不同的热电材料组合物。
| 类型/标识字母 | 合金 |
| K | 镍-铬/镍-铝 |
| T | 铜/铜-镍 |
| J | 铁/铜-镍 |
| N | 镍-铬-硅/镍-硅 |
| E | 镍-铬/铜-镍 |
| R | 铂-13％铑/铂 |
| S | 铂-10％铑/铂 |
| B | 铂-30％铑/铂 |
在德国仍然采用的另一标准是DIN 43710，该标准限定了热电类型U和L。但是该标准已不再可用。
| U | 铜/铜-镍 |
| L | 铁/铜-镍 |
除了这些标准化的热偶对之外，还有其他具有特定性能的组合物。在这里，示例为可行温度范围直至2600℃的钨/钨-铼组合物。
作为用于热电偶的热偶对的传导性材料，也特别考虑p型掺杂的和n型掺杂的半导体材料，大多为铋-碲、Bi2Te3。此外，考虑下表1.1和1.2中所提出的p型掺杂的和n型掺杂的化合物：
| T[K] | p型化合物 | Z[1/K] |
| 225 | CsBi4Te6:Sbl3(0.05％) | 3.5-10-3 |
| 300 | (Sb2Te3)72Bi2Te3)25(S2Se3)3 | 3.4-10-3 |
| 500 | Tl9BiTe6 | 2.3-10-3 |
| 700 | GeTe1-x(AgSbTe2)x | 3.0-10-3 |
| 1200 | Si0.85Ge0.15:B | 6.7-10-4 |
表1.1：具有最佳热电性能的p型化合物。
| T[K] | n-型化合物 | Z[1/K] |
| 80 | Bi0.85Sb0.15 | 6.5-10-3 |
| 300 | ((Sb2Te3)5Bi2Te3)90(Sb2Se3)5 | 3.2-10-3 |
| 450 | Bi2Te2.7Se0.3 | 2.8-10-3 |
| 800 | Pb0.75Sn0.25Se | ＞1.25-10-3 |
| 1200 | Si0.85Ge0.15:P | 8.3-10-4 |
表1.2：具有最佳热电性能的n型化合物。
作为热发电器运行的热电偶通常由两个导热的特别为陶瓷的薄板组成，在两个薄板之间交替钎焊有由不同传导性材料，特别是半导体材料制成的小方块(Quader)。每两个不同的方块相互连接以形成串联连接。两个板中的一个吸收流入的热流(在下文中也称作热电偶的热侧)，而另一个板输出流出的热流(在下文中也称作热电偶的冷侧)。
除了常规地布置于板间的热电偶之外，还可以特别使用薄层热电偶，例如其在DE 101 22 679 A1中所公知的那样。
为了增大在热发电器的冷侧上用于热量输出的面积，热发电器可以具有冷却体，特别是具有带肋状结构的冷却体。肋状结构的肋从冷侧优选朝竖直方向延伸。通过由于肋而改善的热量输出，使得热发电器的效率得以改善。
此外，当每个热发电器的吸收流入热流的热侧直接地完全贴靠在换热器上时，将进一步改善效率。这种改善主要是向热发电器热侧传送热量中的较大总面积引起。
附图说明
下面结合实施例详细阐述本发明。
其中：
图1示出具有在结构上集成的热发电器的根据本发明的热太阳能系统的第一实施例，以及
图2示出具有在结构上单独的热发电器的根据本发明的热太阳能系统的第二实施例。
具体实施方式
图1示出总体以(1)标示的热太阳能系统，热太阳能系统具有收集器(2)，收集器由两个串接的平板式收集器(3a、3b)组成。收集器(2)通过太阳能回路(4)与蓄热器(5)连接。该太阳能回路(4)由前流线路(7)、回流线路(6)以及布置于蓄热器(5)中的管式换热器(8)组成。此外，泵(9)位于回流线路(6)的端部，泵(9)使载热介质在太阳能回路(4)以及收集器(2)中循环。在所述的实施例中，蓄热器(5)被实施为中空圆筒状的太阳能箱(Solartank)。水用作蓄热介质，水通过进口(10)输送给蓄热器。蓄能器的部分以剖面示出的外壳(11)具有花费高昂的阻热机构(12)，以降低热损失。高且细长的蓄热器结构形式允许形成不同的温度层。容器上部为热水，下部为冷水。安装在容器下部的管式换热器(8)将来自太阳能回路(4)的热量传递至蓄热器中的水。蓄热器(5)的容器上部的取出部位(13)通过管路(14)与热水消耗器(15)连接。此外，在蓄热器(5)中布置有另一换热器(16)，该换热器(16)连入加热回路中。在前流线路和回流线路(6、7)与收集器(2)的连接部相应地设有多通阀(17、18)，其中，在两个多通阀(17、18)的第一个切换位置，多通阀的连接部开放从收集器(2)至蓄热器(5)的通流路径，在两个多通阀(17、18)的第二个切换位置，多通阀的连接部开放从收集器(2)至热发电器(20)的换热器(19)的通流路径，从而载热介质依次流过收集器(2)以及换热器(19)。在多通阀(17、18)的所述切换位置，收集器(2)的管路系统与换热器(19)串接。基本上，在所述切换位置，收集器(2)和换热器(19)都连入通向蓄热器的太阳能回路(4)中。然而，当在收集器(2)和换热器(19)之间布置有额外的传输机构(例如泵)时，收集器(2)和换热器(19)可以与太阳能回路(4)断开。
板状换热器(19)布置在热发电器(20)的吸收流入的热流的热侧上。换热器(19)呈平面式地在构成层结构的情况下地放置在收集器(2)的非工作的背侧(21)上，其中，为了断开热联接，在收集器(2)与换热器(19)之间存在阻热中间层(22)。在热发电器(20)的与换热器(19)相对的冷侧上布置有肋状冷却体(23)，该肋状冷却体(23)提高了具有薄层热电偶的热发电器(20)的热侧与冷侧之间的温度差并因此提高了热发电器(20)的效率。
热发电器(20)通过两个未示出的接触部位与电导线(24、25)连接，通过该电导线引出热电发电器(20)的电能。
所述热太阳能系统(1)以如下方式工作：
一旦蓄热器(5)被充分加热，热太阳能系统(1)便进入空转运行模式。在该情况下，可以借助两个多通阀(17、18)中断太阳能回路(4)并且将由收集器(2)收集的热量输送至热发电器(20)的换热器(19)。在该情况下，管式换热器(8)进而还有蓄热器(5)与收集器(2)断开，全部热流被输送至换热器(19)。在该情况下，必须设置已经提及的所述传输机构。
可另选地，当收集器(2)中存在过量的热量时，借助多通阀(17、18)使收集器(2)的管路系统与换热器(19)串接。
由收集器(2)和换热器(19)组成的串联连接连入通向蓄热器的太阳能回路(4)中，从而提供过量的热能，用以在热发电器中产生电流。
如果在收集器(2)中产生的热能需要再次完全用于加热蓄热器(5)，则太阳能回路(4)通过多通阀(17、18)与蓄热器(5)中的管式换热器(8)连接，并且热发电器(20)的换热器(19)与收集器(2)完全断开。在该运行模式中，提供所有热能，用以加热蓄热器(5)。尽管收集器(2)和热发电器(20)为节约空间而组装成一个结构单元，但阻热中间层(22)很大程度上阻止了收集器(2)与热发电器(20)之间的热对流。
图2所示的热太阳能系统的主要区别在于，板状换热器(19)和热发电器(20)被实施为单独于收集器(2)的结构单元(26)。该结构单元(26)与收集器(2)相距地、例如房屋的竖直立面上，而收集器(2)安装在房屋的屋顶上。在该本发明实施方案中，热发电器(20)的前侧额外安装有吸收板(27)，使得额外的能量存入热发电器(20)的热侧，或者使得无需用于产生热电的过量的能量存入太阳能回路(4)中。换热器(19)可以仅借助三通阀/二通阀(28)与收集器(2)串接，使得换热器(19)成为太阳能回路(4)的组成部分。当在收集器(2)中产生的热能需要完全用于加热蓄热器(5)时，另一三通阀/二通阀(29)用于完全断开换热器(19)。然而基本上也可以取消该另一三通阀/二通阀(29)。
最后，阀控制件可以具有连续阀，该连续阀实现了对载热介质的体积流的调整。在蓄热器(5)以及热发电器(20)的混合运行模式中，连续阀可以将打到发电器(20)的吸收器(19)上的太阳能和打到收集器(2)上的太阳能适于需要地一方面分配至热发电器(20)，并且另一方面分配至蓄热器(5)。
附图标记列表
| 序号 | 名称 |
| 1. | 热太阳能系统 |
| 2. | 收集器 |
| 3a、b | 平板收集器 |
| 4. | 太阳能回路 |
| 5. | 蓄热器 |
| 6. | 前流线路 |
| 7. | 回流线路 |
| 8. | 管式换热器 |
| 9. | 泵 |
| 10. | 进口 |
| 11. | 外壳 |
| 12. | 阻热机构 |
| 13. | 取出部 |
| 14. | 管路 |
| 15. | 热水消耗器 |
| 16. | 换热器 |
| 17. | 多通阀 |
| 18. | 多通阀 |
| 19. | 换热器 |
| 20. | 热发电器 |
| 21. | 非工作的背侧 |
| 22. | 中间层 |
| 23. | 肋状冷却体 |
| 24. | 电导线 |
| 25. | 电导线 |
| 26. | 结构单元 |
| 27. | 吸收板 |
| 28. |
Claims (10)
1.一种具有收集器的热太阳能系统，所述收集器通过包含载热介质的太阳能回路与热沉连接，
其特征在于，
所述太阳能回路（4）能够借助阀控制件（17、18）暂时与至少一个换热器（19）连接，所述换热器（19）布置在热发电器（20）的接收流入的热流的热侧上，并且在所述热太阳能系统（1）的所述收集器（2）与所述换热器（19）之间，阻热机构（22）减少热能交换，
所述换热器是板状的换热器，所述板状的换热器（19）和所述热发电器（20）实施为单独于所述收集器（2）的结构单元（26），
所述结构单元（26）与所述收集器（2）相距地布置，并且
在所述热发电器（20）的所述热侧上布置有吸收器（27），用于接收入射的太阳辐射的能量。
2.根据权利要求1所述的热太阳能系统，其特征在于，所述热沉是蓄热器。
3.根据权利要求2所述的热太阳能系统，其特征在于，所述热发电器（20）具有至少一个薄层热电偶。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的热太阳能系统，其特征在于，所述换热器（19）为板式换热器或管式换热器。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的热太阳能系统，其特征在于，在所述热发电器（20）的冷侧上布置有冷却体（23）。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的热太阳能系统，其特征在于，所述阀控制件包括至少一个多通阀（17、18、28、29）。
7.根据权利要求6所述的热太阳能系统，其特征在于，在所述至少一个多通阀（28、17）的至少一个切换位置，所述收集器（2）能够暂时与所述换热器（19）连接。
8.根据权利要求2至3中的任一项所述的热太阳能系统，其特征在于，所述太阳能回路（4）在所述收集器（2）与所述蓄热器（5）之间具有前流线路（7）和回流线路（6），并且至少一个连续阀接入所述前流线路（7）中，所述连续阀允许对所述载热介质的从所述收集器（2）至所述太阳能回路（4）以及至所述换热器（19）的体积流进行调整。
9.根据权利要求7所述的热太阳能系统，其特征在于，
每个多通阀是能电操作的，并且与所述热太阳能系统的控制单元相连。
10.根据权利要求8所述的热太阳能系统，其特征在于，
每个连续阀是能电操作的，并且与所述热太阳能系统的控制单元相连。
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