DE102008025612B4

DE102008025612B4 - Flachkollektor zur Solarerwärmung für die Warmwasserbereitung und/oder zur Heizungsunterstützung

Info

Publication number: DE102008025612B4
Application number: DE102008025612A
Authority: DE
Inventors: Enrico Folta
Original assignee: Individual
Current assignee: Enrico Folta De; Folta Enrico De
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: DE102008025612A1

Abstract

Flachkollektor zur Solarerwärmung für die Warmwasserbereitung und/oder zur Heizungsunterstützung, der mit üblicherweise bekannten Flachkollektoren zum Aufbau einer Solaranlage kombinierbar ist und aus einem Gehäuse besteht, das aus Rahmenprofilen (14), einer Rückwand (13), einer Abdeckung aus Solarglas (4) mit Dichtungsgummi (3) im Wesentlichen aufgebaut ist, wobei im Gehäuse Mäanderrohre (7), ein Absorberblech (6) und eine Dämmung (9) vorhanden sind, gekennzeichnet dadurch, dass der Flachkollektor ein Flachkollektor mit Tank (1) ist, in welchem sich die Wärmeträgerflüssigkeit mit wechselndem Füllstand in Abhängigkeit von der Fahrweise einer Solarkollektoranlage befindet und gegenüber des Tanks (12) ein das Gehäuse des Flachkollektors mit Tank (1) abschließendes PV-Modul (2) angeordnet ist, der Raum zwischen einer Dämmung (9) und dem PV-Modul (2) über eine Belüftung (5) belüftet ist und ein Füllstandsgeber (11) zur Überwachung des Flüssigkeitsspiegels mit dem Tank (12) in Wirkverbindung steht sowie weitere periphere Elemente zur Förderung der Wärmeträgerflüssigkeit und zur Steuerung von Heizzyklen sowie der Speicherung...

Description

Die Erfindung betrifft einen Flachkollektor zur Solarerwärmung für die Warmwasserbereitung und/oder zur Heizungsunterstützung, gemäß dem Oberbegriff des 1. Patentanspruchs.
Eine unter anderem mit dem erfindungsgemäß aufgebauten Flachkollektor ausgestattete Anlage zur Solarerwärmung kann unabhängig von Fremdenergie bzgl. der hier im Kreislauf integrierten Umwälzpumpe (Solarpumpe) betrieben werden und sie benötigt kein Ausdehnungsgefäß zur Druckminderung innerhalb des Solarkreislaufes bei abgeschalteter Anlage, wenn die Solarwärme nicht mehr abgenommen werden kann.
Gemäß bekanntem Stand der Technik wird Solarenergie zur Erzeugung von Elektroenergie (Photovoltaik) einerseits und zur Warmwasser- bzw. Heizungsunterstützung bereits bestehender Heizanlagen andererseits in immer größer werdendem Umfang eingesetzt. Optimale Voraussetzungen zur Kombination bestehen dabei zwischen Erdgasheizanlagen mit Brennwerttechnik, mit Anlagen, die über Wärmepumpen die Erdwärme nutzen oder anderen, um nur einige zu nennen. Anhand nachfolgender Beispiele soll auf den konkret vorliegenden Stand der Technik eingegangen werden.
Nach DE 90 16 682 U1 ist ein Sonnenkollektor zur Erzeugung von Warmwasser bekannt. Er besteht aus einer im wesentlichen gleichgroßen Aufteilung seiner Fläche in einen Strahlungsbereich zur Warmwasserbereitung und in einen mit Solarzellen belegten Bereich, die nebeneinander liegen. Die Solarzellen werden von unten mittels Kaltwasser führender Rohre, die zum Strahlungsbereich der Warmwasserbereitung führen, gekühlt. Ein in den Sonnenkollektor integrierter druckausgleichender Tank fehlt hier und es ist auch unzweckmäßig Wasser als Kühlmittel zu verwenden, da es zur Dampfbildung neigt.
Mit DE 197 46 799 A1 wird eine Solaranlage beschrieben, bei der die Umwälzgeschwindigkeit des Wärmeträgers in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung geregelt wird. Dabei erhält eine Umwälzpumpe zum Transport des Wärmeträgers ihre elektrische Energie aus photoelektrischen Energiewandlern, den Solarzellen. Eine oder zwei Umwälzpumpen sorgen dafür, dass der Wärmeträger für die Einspeisung in die Gebäudeheizung, in die Brauchwassererwärmung Verwendung findet oder durch einen Kühler fließt.
In DE 199 53 493 A1 ist eine Solaranlage angegeben, bei der in den Rohrleitungen des Vorlaufs und Rücklaufs zwischen dem Sonnenkollektor und dem Speicherbehälter ein Vorratsbehälter mit einem Schutzmedium angeordnet ist. Dieses Schutzmedium besitzt ein geringeres spezifisches Gewicht als das Wärmeträgermedium und es bleibt innerhalb der Betriebstemperaturgrenze der Anlage flüssig. Das bedeutet, dass die Anlage gegen Hochtemperaturbelastungen und gegen Frosteinwirkung geschützt ist. Das Schutzmedium ist ein Öl und es kann dosiert in den Wärmeträgerkreislauf zugegeben oder wieder entfernt werden.
Die Patentschrift DE 41 13 144 C2 stellt einen in sich geschlossenen Wärmespeicherbaustein vor, der zur Aufnahme von Abwärme oder zur Speicherung von Solarwärme dient. Der Baustein besteht aus einer wärmeisolierten Gefäßkombination, die mit einer wärmetragenden Flüssigkeit gefüllt ist. Die Flüssigkeit nimmt an der Konvektionsfläche Wärme auf und transportiert diese mittels Thermosiphonzirkulation durch den Zirkulationskanal in den Speicherteil.
In DE 92 15 867 U1 ist ein Sonnenkollektor zur Wassererwärmung genannt, insbesondere für die Brauchwassererwärmung einer Gartendusche. Der Sonnenkollektor integriert in einem Gehäuse Absorberelemente Verbindungs- und Sammelrohre, die mit rohrförmigen Speichern in Verbindung stehen. Ein Kalt- und ein Warmwasseranschluss lassen eine kontinuierliche Warmwasserbereitung zu. Alle Hohlräume im Inneren des Sonnenkollektors zwischen den einzelnen Elementen sind mit wärmeisolierendem Material ausgefüllt.
Gemäß EP 11 46 296 B1 wird ein modulartiger Solarkollektor vorgeschlagen. Hierbei soll ein kastenförmiger Solarkollektor dachziegelartig mit gleichartigen Solarkollektoren betriebsfertig zusammengefügt werden. Dabei entsteht eine überlappende Anordnung. An der Rückseite eines Behälters sind serpentinenartig wärmeabführende Rohre innerhalb eines jeden Kollektors verlegt. Der weitere Aufbau entspricht dem einer üblicherweise bekannten Solarkollektoranlage.
Damit sind die Bauweisen des bekannten Standes der Technik, der teilweise mit Nachteilen behaftet ist, ausreichend dargelegt und es bedarf einer Lösung, Solaranlagen weiterzuentwickeln.
Es ist daher Aufgabe Erfindung, einen Solarkollektor derart weiterzubilden, dass dieser, wenn er sich in einer unteren Reihe eines Solarkollektorfeldes befindet, neben den bekannten Bauelementen, wie Mäanderrohren zur Förderung der Wärmetauscherflüssigkeit, Absorberblech, Solarglas zur Abdeckung und anderen – an seinem unteren Bereich der zur Dachkante weist, einen Tank zur Aufnahme und zum Ausgleich des Flüssigkeitsstandes der Wärmeträgerflüssigkeit im Kollektorenkreislauf und auch ein Photovoltaikmodul zur autarken Versorgung der Solarpumpe mit Elektroenergie besitzt, wobei damit auch die elektronische Steuerung mitversorgt wird und eine solche Solarkollektoranlage, bestehend aus diesem oder mehreren derart ausgestatteten Solarkollektoren und weiteren üblicherweise aufgebauten Kollektoren eine Kombination mit einer bestehenden Heizanlage vorgesehen werden kann, die auf der Basis regenerativer oder anderer Energien arbeitet, dabei ein Druckausgleich im System selbst der weitergebildeten Solarkollektoren ohne zusätzliche Druckausdehnungsgefäße erfolgt und die Gefahr des Verkochens der Wärmeträgerflüssigkeit unterbunden und eine längere Wartungsfreiheit der Anlage gegeben ist. Eine in dieser Konzeption aufgebaute Anlage soll energetisch schneller und effektiv auf Zustände des Überhitzens und/oder des Hochfahrens auf Betriebstemperatur reagieren können sowie prinzipiell keine höheren Anschaffungs-, Betriebs- und Fertigungskosten als herkömmliche hervorbringen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 7.
Folgende ergänzende Hinweise zur erfinderischen Lehre sind erforderlich.
Ein Solarkollektorfeld kann, den örtlichen Gegebenheiten entsprechend, Kollektoren aufweisen, bei denen die in ihnen verlegten Mäanderrohre den jeweiligen Kollektor im Hoch- oder im Querformat durchziehen. Das betrifft auch den erfindungsgemäßen Flachkollektor, wobei dieser insbesondere immer in einer unteren Reihe eines Kollektorfeldes angeordnet ist. Der Grund liegt in der veränderten konstruktiven Ausbildung, die im Kontext zur Gesamtanlage mit weiteren und in üblicherweise aufgebauten Flachkollektoren steht.
Der erfindungsgemäße Flachkollektor weist ein Gehäuse auf, bestehend aus Rahmenprofilen, einer Rückwand, einer Solarglasabdeckung über den Mäanderrohren und aus einem Photovoltaikelement, welches den unteren Teil der Oberfläche des Flachkollektors einnimmt. Im Inneren des Flachkollektors ist unter dem Photovoltaikelement und unter der Solarglasabdeckung bis kurz vor Beginn der Mäanderrohre ein Tank, insbesondere in Form eines Mehrrohrtanks angeordnet, in welchem die Wärmeträgerflüssigkeit bevorratet ist. Das Volumen des Mehrrohrtanks ist derart bemessen, dass die im Solarkreislauf geförderte Wärmeträgerflüssigkeit dort, und zwar in den Tanks der in einer unteren Reihe einer Solarkollektoranlage plazierten erfinderischen Flachkollektoren aufgenommen werden kann, wenn sich die Anlage – energetisch bedingt – im Stillstand befindet. D. h., die Flachkollektoren der gesamten Anlage „laufen leer” und die in den Mehrrohrtanks befindliche Luft steigt in die Mäanderrohre auf.
Unterschreitet die Temperatur einen eingestellten Wert eines Speicherfühlers in Kombination mit einem Kollektorfühler, die Anlage über die Solarsteuerung wieder aktiviert, d. h. eine Solarpumpe in Betrieb genommen, welche die Wärmeträgerflüssigkeit aus den Tanks der in der unteren Reihe angeordneten Flachkollektoren in diese und die übrigen der Gesamtanlage fördert, sodass damit die Luft aus den Mäanderrohren verdrängt wird und in dem freiwerdenden Volumen der Mehrrohrtanks Platz findet. Damit entfällt ein sonst übliches Druckausgleichsgefäß.
Da es sich um ein geschlossenes System in Bezug auf die zu fordernde Menge Wärmeträgerflüssigkeit handelt und durch das „Leerlaufen” der Flachkollektoren kaum Verluste der genannten Flüssigkeit stattfinden, sind nur minimale Mengen nach längerer Betriebszeit einer derartigen Solaranlage nachzufüllen. Füllstandsgeber überwachen daher sinnvollerweise den optimalen Betriebszustand der Anlage.
Die Versorgung der Solarpumpe mit Elektroenergie wird dadurch gesichert, indem ein Photovoltaikelement, wie bereits erwähnt, Solarenergie zur Umwandlung in Elektroenergie nutzt, dabei über einen Laderegler eine aufladbare Solarbatterie gespeist wird, die zur Versorgung einer zentralen Solarsteuerung und der hier zentralen Solarpumpe dient. Aufgrund des geringen zu überwindenden Höhenunterschieds abgesunkener Wärmeüberträgerflüssigkeit beim Anfahren einer erfindungsgemäß ausgestatteten Solarkollektoranlage ist die Pumpenleistung der Solarpumpe nur gering bemessen.
Der neuartige Flachkollektor braucht nicht luftdicht abgeschlossen sein, insbesondere nicht im Bereich des Photovoltaikelements, wobei ansonsten das Solarglas und der Absorberraum mit üblichen Dichtungsgummis eingefasst sind.
Ebenfalls ist der Innenraum des gesamten Gehäuses des Flachkollektors mit bekannten Dämmstoffen ausgefüllt.
Ein Absorberblech und eine Antireflexionsbeschichtung des Solarglases verstärken die Aufnahme von zur Verfügung stehender Sonneneinstrahlung.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen die einzelnen Figuren:
1: Flachkollektor in Seitenansicht – Schnittdarstellung
2: Flachkollektor – Vorderansicht
3: Darstellung einer Solarkollektoranlage mit in einer unteren Reihe angeordneten erfindungsgemäßen Flachkollektoren – Vorderansicht
4: Kombination eines erfindungsgemäßen Flachkollektors mit peripheren Elementen eines Solarkreislaufes – Prinzipdarstellung

1: Flachkollektor mit Tank
2: Photovoltaikmodul (PV-Modul)
3: Dichtungsgummi
4: Solarglas
5: Belüftung
6: Absorberblech
7: Mäanderrohr
8: Kompensator
9: Dämmung
10: Sammelleitung
11: Füllstandsgeber
12: Tank
13: Rückwand
14: Rahmenprofil
15: Kollektorfühler
16: Flachkollektor ohne Tank
17: Kollektorfühler
18: Solarpumpe
19: Laderegler
20: Solarbatterie
21: Solarsteuerung
22: Speicherfühler
23: Speicher

Ein oder mehrere Flachkollektor(-en) mit Tank 1 ist (sind) vorzugsweise mit einem oder weiteren Flachkollektor(-en) ohne Tank 16 auf einer Dachfläche – nicht weiter dargestellt – kombiniert. Mit diesen Flachkollektoren 1, 16 stehen weitere periphere Elemente, angeordnet außerhalb des Flachkollektors 1 oder 16, wie ein Speicher 23, ein Laderegler 19, eine Solarbatterie 20, eine Solarsteuerung 21 und ein Speicherfühler 22 in Wirkbeziehung, wie das gemäß 4 prinzipiell dargestellt ist.
Der neuartige Flachkollektor mit Tank 1 besitzt nach 1 neben bekannten Bauteilen in seinem unteren Bereich – in Richtung Dachkante bzw. in Richtung seiner Aufstellfläche – einen Tank 12, z. B. in Form eines Mehrrohrtanks, mit einem darüber angeordneten und das Gehäuse des Flachkollektors mit Tank 1 abschließenden PV-Modul 2. Der freie Raum zwischen dem PV-Modul 2 und einer Dämmung 9 im Kollektorgehäuse ist mit einer Belüftung 5 versehen. Der übrige Raum des Kollektorgehäuses zwischen und unter den Mäanderrohren 7 und ober- und unterhalb des Tanks 12 ist mit der Dämmung 9 ausgefüllt.
Über den Mäanderrohren 7 befindet sich ein Absorberblech 6 und nach einem definierten Zwischenraum das den Flachkollektor mit Tank 1 über Dichtungsgummi 3 abgedichtete Solarglas 4. Letzteres ist in vorteilhafter Weise mit einer Antireflexionsschicht versehen. Ein Füllstandsgeber 11 überwacht den Flüssigkeitsstand der Wärmeträgerflüssigkeit im Mehrrohrtank des Tanks 12, wobei die Wärmeträgerflüssigkeit insbesondere Glykol ist. Der Füllstandsgeber 11 prüft auch bei jedem Anlagenstillstand mit definierter Glykoltemperatur den Füllstand und gibt bei einem zu hohen oder zu geringen Stand eine Störmeldung.
Mittels des PV-Moduls 2 an jedem Flachkollektor mit Tank 1 kann Elektroenergie zur autarken Versorgung einer Solarpumpe 18, einer Solarsteuerung 21 und zur Speisung der Solarbatterie 20 erzeugt werden.
Die Solarsteuerung 21 steht in Wirkverbindung mit dem/den Kollektorfühler(-n) 15 der Flachkollektoren mit und ohne Tank 1, 17 einerseits und einem Speicherfühler 22 am Speicher 23 andererseits.
Dadurch können in kurzer Zeit und effektiv die gewünschten Betriebszustände einer derartigen Solarenergie, die auch im Zusammenhang mit einer bestehenden Heizanlage betrieben werden kann, des Anfahrens, des Herunterfahrens und des Abnehmens von Solarwärme realisiert werden. Die einzelnen Flachkollektoren der genannten Art sind in üblicherweise mittels Kompensatoren 8 miteinander verbunden.
Die Vorteile des Einsatzes von Flachkollektoren mit Tank sind der Überhitzungsschutz der Anlage im Zusammenspiel mit dem auf ein Minimum reduzierten Energieverbrauch der Solarpumpe, die vom Photovoltaik-Modul ihre benötigte Elektroenergie bezieht. Da sich der Tank direkt im Kollektor befindet, werden große statische Höhen, die das Glykol beim Anlaufen der Anlage überwinden muss, vermieden, sodass damit die Pumpenleistung so gering wie möglich gehalten wird.
Zu den oben genannten Betriebszuständen einer erfindungsgemäß konzipierten Anlage kann noch Folgendes ausgeführt werden:
Ist die Anlage nicht in Betrieb, so befindet sich das Glykol, nicht wie bei herkömmlichen Anlagen im Absorberrohr bzw. in den Mäanderrohren, sondern sammelt sich im Tank, der sich im Kollektor befindet.
Im Absorberrohr/den Mäanderrohren befindet sich Luft (geschlossenes System).
Liegt die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Kollektor und Speicherfühler über dem gewählten Wert an der Solarsteuerung, so wird die Pumpe im eingestellten Drehzahlbereich eingeschaltet.
Dann erst wird das Glykol durch den Kollektor gepumpt. Hierbei verdrängt es die Luft im Kollektor, die im Kollektortank Platz findet. Dabei nimmt der Glykolfüllstand im Kollek tortank ab.
Dieses Luftpolster dient gleichzeitig als Ausdehnungspuffer für das Glykol, so entfallt der Einbau eines Ausdehnungsgefäßes in einer solchen Anlage.
Ist der gesamte Kollektor mit Glykol durchflossen, so stellt die Solarsteuerung, die den momentanen Gegebenheiten angepasste Drehzahl der Pumpe ein, ist die an der Solarsteuerung eingestellte Speichertemperatur erreicht, so wird die Pumpe abgeschaltet und das Glykol fließt wieder aus dem Absorberrohr/den Mäanderrohren in den Tank zurück.

Claims

Flachkollektor zur Solarerwärmung für die Warmwasserbereitung und/oder zur Heizungsunterstützung, der mit üblicherweise bekannten Flachkollektoren zum Aufbau einer Solaranlage kombinierbar ist und aus einem Gehäuse besteht, das aus Rahmenprofilen (14), einer Rückwand (13), einer Abdeckung aus Solarglas (4) mit Dichtungsgummi (3) im Wesentlichen aufgebaut ist, wobei im Gehäuse Mäanderrohre (7), ein Absorberblech (6) und eine Dämmung (9) vorhanden sind, gekennzeichnet dadurch, dass der Flachkollektor ein Flachkollektor mit Tank (1) ist, in welchem sich die Wärmeträgerflüssigkeit mit wechselndem Füllstand in Abhängigkeit von der Fahrweise einer Solarkollektoranlage befindet und gegenüber des Tanks (12) ein das Gehäuse des Flachkollektors mit Tank (1) abschließendes PV-Modul (2) angeordnet ist, der Raum zwischen einer Dämmung (9) und dem PV-Modul (2) über eine Belüftung (5) belüftet ist und ein Füllstandsgeber (11) zur Überwachung des Flüssigkeitsspiegels mit dem Tank (12) in Wirkverbindung steht sowie weitere periphere Elemente zur Förderung der Wärmeträgerflüssigkeit und zur Steuerung von Heizzyklen sowie der Speicherung von Elektroenergie, außerhalb des Flachkollektors angeordnet, vorhanden sind.
Flachkollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Tank (12) im unteren Teil eines Flachkollektors mit Tank (1) angeordnet ist.
Flachkollektor nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Tank (12) über Sammelleitungen (10) mit den Mäanderrohren (7) in Verbindung steht.
Flachkollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Flachkollektoren mit Tank (1) in einer Solarkollektoranlage über Kompensatoren (8) miteinander verbunden sind.
Flachkollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass Flachkollektoren mit und ohne Tank (1, 16) in einer Solarkollektoranlage miteinander kombiniert werden, wobei die Flachkollektoren mit Tank (1) stets in der unteren Reihe einer Solarkollektoranlage platziert sind.
Flachkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Wärmeträgerflüssigkeit Glykol ist.
Flachkollektor nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass zum Betrieb der Solarkollektoranlage eine zentral angeordnete Solarpumpe (18) und eine zentral angeordnete Solarsteuerung (21) verwendet wird.