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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtauen von Solarkollektoren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Solarkollektor-Anordnung gemäß Patentanspruch 3 zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Durch Vereisung und Schneefall reduziert sich bei kalter Witterung die effektive Nutzung von Solarthermieanlagen erheblich, wenn nicht Maßnahmen ergriffen werden, die ein Abtauen und damit auch eine Befreiung der Solarkollektoren von Schnee bewirken.
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Aus der
DE 30 14 577 A1 ist eine Heizungsanlage für ein Gebäude bekannt, bei dem Solarkollektoren in die Dachhaut des Gebäudes integriert sind. Damit die Solarkollektoren von Schnee befreit werden können, wird der Wärmeträger eines Heizkreislaufs, der die Solarkollektoren durchströmt, mittels eines Heizaggregats erwärmt. Für den Abtauvorgang muss also bei dieser bekannten Anlage in entsprechendem Maße Heizenergie zugeführt werden.
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Aus der
EP 2 236 954 A2 ist ein Verfahren zum betreiben einer Solaranlage bekannt, bei dem zum Schmelzen von Schnee und/oder Eis ein Wärmeträger aufgeheizt wird, der eine an den Solarkollektoren angeordnete Schmelzeinrichtung durchströmt. Die Erwärmung des Wärmeträgers erfolgt dabei mittels einer im Heizkreislauf angeordneten Heizeinheit.
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Weiterhin ist aus der
DE 20 2008 005 604 U1 eine Solarkollektor-Anordnung bekannt, die eine Reihenschaltung aus wenigstens einem Flachabsorber und wenigstens einem nachgeschalteten Vakuumabsorber umfasst. Beide Absorber, die auch als Solarkollektoren bezeichnet werden können, werden von einem Wärmeträger nacheinander durchströmt. Dabei soll mit der an den Flachabsorbern auftretenden Abwärme eine die Flachabsorber abdeckende Glasfläche abgetaut werden. Dabei ist es aber erforderlich, dass der den Flachabsorber durchströmende Wärmeträger bereits eine geeignete Abtautemperatur aufweist. Ist die wirksame Absorberfläche zugeschneit, kann ein Abtauen alleine mit der Energie der Sonneneinstrahlung nicht erfolgen.
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Aus der
DE 20 2007 002 026 U1 ist eine energieautarke elektrische Beheizung für die transparenten Abdeckungen von Sonnenkollektor- oder Photovoltaikanlagen bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abtauen von mit Schnee bedeckten Solarkollektoren anzugeben, bei dem die zum Abtauen der Schneeauflage erforderliche Wärmeenergie aus der Sonneneinstrahlung gewonnen wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erhalten. Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 offenbart.
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Bei dem Verfahren nach Patentanspruch 1 wird zunächst ein schneefreier Abtaukollektor und ein vom Schnee zu befreiender Solarkollektor zu einem Abtaukreislauf zusammengeschaltet, so dass die vom Abtaukollektor in den Abtaukreislauf eingebrachte Wärme zunächst auf einen einzigen aufzutauenden Solarkollektor konzentriert wird. Erst wenn an diesem aufzutauenden Solarkollektor ein Abtaugrenzwert erreicht ist, wird ein nächster Solarkollektor an den Abtaukreislauf angeschaltet. Dieser Vorgang wird sukzessive jeweils nach Erreichen eines Abtaugrenzwerts an den jeweiligen Solarkollektoren fortgesetzt, bis der Abtauvorgang als abgeschlossen gilt und die Solarkollektoren dann vom Abtaukreislauf abgeschaltet und an den Heizkreislauf angeschaltet werden. Der verwendete Abtaukollektor wird vorzugsweise senkrecht zur Horizontalen oder zumindest sehr steil aufgestellt und ist somit aufgrund seines steilen Aufstellwinkels immer schneefrei und kann jederzeit bei einer auftretenden Sonneneinstrahlung zum Abtauen einer auf den anderen Solarkollektoren vorhandenen Schneeauflage eingesetzt werden. Eine separate Zufuhr elektrischer oder sonstiger Heizenergie über den Heizkreislauf oder den Abtaukreislauf der Solarkollektor-Anordnung ist dabei nicht erforderlich.
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Zur Überwachung kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Eingangstemperatur und die Ausgangstemperatur des die Solarkollektoren durchströmenden Wärmeträgers vor und nach jedem Solarkollektor überwacht wird, und dass ein jeweils nächster Solarkollektor an den Abtaukreislauf angeschlossen wird, wenn die jeweilige Ausgangstemperatur eines Solarkollektors höher ist als dessen Eingangstemperatur. Ist die Ausgangstemperatur des Wärmeträgers höher als die Eingangstemperatur an einem Solarkollektor, so bedeutet dies dass dieser Solarkollektor bereits selbst aufgrund von Sonneneinstrahlung thermische Energie in dem ihn durchströmenden Wärmeträger erzeugt. Die Überwachung von Eingangs- und Ausgangstemperaturen ist mit verhältnismäßig einfachen Mitteln möglich, wobei der jeweilige ausgangsseitige Abtaugrenzwert an jedem Solarkollektor durch die an ihm vorliegende Eingangstemperatur vorgegeben ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Abtaukreislauf von den Solarkollektoren abgeschaltet und diese an den Heizkreislauf angeschaltet werden, wenn die Ausgangstemperatur des letzten, der in Reihe geschalteten Solarkollektoren, um einen vorgegebenen Temperaturwert höher ist als die Eingangstemperatur des ersten Solarkollektors. Dabei kann der vorgegebene Temperaturwert grundsätzlich auch Null sein. Ein Übergang in den normalen Heizbetrieb kann aber auch z. B. erst dann stattfinden, wenn am letzten aufzutauenden Solarkollektor ausgangsseitig wenigstens annähernd der an diesem Solarkollektor gemessene eingangsseitige Temperaturwert erreicht ist. Damit kann dann sichergestellt werden, dass an sämtlichen Solarkollektoren eine ausreichende Abtauwirkung stattgefunden hat und die gesamte Solarkollektor-Anordnung zur Einspeisung thermischer Energie in den Heizkreislauf wieder genutzt werden kann.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Solarkollektor-Anordnung zu schaffen, mit der auf möglichst einfache Weise mittels Sonnenenergie die mit Schnee bedeckten Solarkollektoren der Solarkollektor-Anordnung vom Schnee befreit werden können.
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Die Lösung dieser auf eine Solarkollektor-Anordnung bezogenen Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 erhalten. Besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Solarkollektor-Anordnung sind in den Unteransprüchen 5 bis 8 offenbart.
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Die Solarkollektor-Anordnung zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie besitzt gemäß Patentanspruch 4 wenigstens einen senkrecht zur Horizontalen oder wenigstens sehr steil aufgestellten Abtaukollektor, auf dem sich aufgrund seiner steilen Ausrichtung kein Schnee ablegen kann. Dieser Abtaukollektor befindet sich in einem Abtaukreislauf, der vom Heizkreislauf abtrennbar ist und dem die Solarkollektoren nacheinander zuschaltbar sind. Der Abtaukollektor hat aufgrund seiner steilen Anordnung zwar nicht die optimale Ausrichtung in bezug auf die Sonneneinstrahlung, jedoch reicht die einfallende Sonneneinstrahlung aus, um den durch den Abtaukollektor hindurchströmenden Wärmeträger so stark zu erwärmen, dass der Wärmeträger beim Durchströmen der weiteren Solarkollektoren diese bedingt durch die nicht ideale Isolierung der Solarkollektoren abtauen bzw. von Schnee und Eis befreien kann. Zunächst wird ein erster Solarkollektor von Schnee und Eis befreit, so dass dieser seinerseits eine weitere Erwärmung des ihn durchströmenden Wärmeträgers aufgrund der einfallenden Sonnenstrahlen ermöglicht. In gleicher Weise können dann die nachfolgenden Solarkollektoren einzeln nacheinander abgetaut werden, bis die gesamte Solarkollektor-Anordnung von Schnee und Eis befreit ist und die Solarkollektoren wieder an den Heizkreislauf nach Abtrennung des Abtaukreislaufes angeschlossen werden können. Die erfindungsgemäße Solarkollektor-Anordnung ermöglicht somit ein Abtauen der Solarkollektoren ausschließlich mit Sonnenenergie.
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Im Normalfall umfasst die Solarkollektor-Anordnung mehrere Solarkollektoren, die bevorzugt einzeln nacheinander in Reihe an den Abtaukreislauf mittels steuerbarer Umschaltventile anschließbar sind. Das sukzessive Zuschalten der einzelnen Solarkollektoren, immer dann wenn ein vorheriger Solarkollektor ausreichend abgetaut ist, lässt sich verhältnismäßig einfach mit den Solarkollektoren zugeordneten Umschaltventilen realisieren.
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Der Abtaukollektor ist vorzugsweise als ein Solarkollektor ausgebildet, der einen möglichst guten Wirkungsgrad bei diffuser Lichteinstrahlung hat. Damit ergibt sich ein ausreichender Wirkungsgrad für den Abtaukollektor, obwohl er nicht optimal zur Sonneneinstrahlung ausgerichtet ist.
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Der Abtaukreislauf besitzt vorzugsweise eine eigene Umwälzpumpe, die unabhängig von der im Heizkreislauf angeordneten Umwälzpumpe den Wärmeträger im Abtaukreislauf umwälzt. Damit ist ein völlig separater Betrieb des Abtaukreislaufs möglich.
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Eine Steuerung kann die Temperaturen des Wärmeträgers an den jeweiligen Eingängen und Ausgängen der Solarkollektoren überwachen und in Abhängigkeit von den ermittelten Temperaturwerten die Umschaltventile betätigen. Damit kann der Abtauvorgang auf sehr einfache Weise überwacht und gesteuert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Solarkollektor-Anordnung mit einem an den Abtaukreislauf angeschlossenen Solarkollektor,
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2 die Solarkollektor-Anordnung von 1, jedoch mit zwei an den Abtaukreislauf angeschlossenen Solarkollektoren, und
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3 eine vereinfachte Darstellung der Solarkollektor-Anordnung auf dem Dach eines Gebäudes.
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Die in 1 dargestellte Solarkollektor-Anordnung besteht aus einem Abtaukollektor 1 und mehreren Solarkollektoren 2 bis 5, die mittels mehrerer Umschaltventile 6 bis 10 von einem Heizkreislauf HK abtrennbar und an einen Abtaukreislauf AK anschaltbar sind. Die Betätigung der Umschaltventile 6 bis 10 erfolgt über eine Steuerung 11, die Teil der Steuerung einer hier nicht näher dargestellten und zum Heizkreislauf HK gehörenden Heizungsanlage sein kann.
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In 1 befindet sich das Umschaltventil 6 in einer unteren Stellung, so dass der Abtaukollektor 1 ausgangsseitig über eine Leitung 12 mit dem eingangsseitigen Anschluss 13 des Solarkollektors 2 verbunden ist. Ausgangsseitig ist der Solarkollektor 2 über eine Leitung 14 und über das Umschaltventil 7 an eine zum Abtaukreislauf AK gehörende Leitung 15 angeschlossen, in der mittels einer Umwälzpumpe 16 ein Wärmeträger in der angegebenen Pfeilrichtung umgewälzt wird. Die übrigen Solarkollektoren 3 bis 5 sind vom Abtaukreislauf AK abgetrennt, so dass bei der dargestellten Ventilstellung der Umschaltventile 6 bis 10 zunächst nur der Solarkollektor 2 von Schnee und Eis durch einen Abtauvorgang befreit wird.
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Die Steuerung 11 steuert nicht nur die Umschaltventile 6 bis 10, sondern auch die Umwälzpumpe 16, die den Wärmeträger im Abtaukreislauf AK umwälzt.
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In 2 befindet sich nun, nachdem der Solarkollektor 2 ausreichend abgetaut ist, das Umschaltventil 7 in einer oberen Stellung, so dass der Solarkollektor 3 an den Abtaukreislauf AK angeschlossen ist. Der Abtaukollektor 1 und die Solarkollektoren 2 und 3 sind damit über die Umschaltventile 6, 7 in Reihe geschaltet, so dass der Wärmeträger des Abtaukreislaufs AK die Kollektoren 1, 2, 3 nacheinander durchströmt. Die Richtungspfeile 17 zeigen hier den Strömungsverlauf im Abtaukreislauf AK an.
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Sobald der Solarkollektor 3 ebenfalls abgetaut ist, wobei an seinem ausgangsseitigen Anschluss 18 der Wärmeträger eine höhere Temperatur hat als an seinem eingangsseitigen Anschluss 19, kann die Steuerung 11 das Umschaltventil 8 in die obere Stellung, wie sie beim Umschaltventil 7 dargestellt ist, umschalten, wodurch der Solarkollektor 4 an den Abtaukreislauf AK angeschlossen wird. Gleichermaßen kann dann mit dem Umschaltventil 9 verfahren werden, wenn am Solarkollektor 4 entsprechende eingangsseitige und ausgangsseitige Temperaturen gemessen werden.
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Die Steuerung 11 misst an jedem der Solarkollektoren 2 bis 5 jeweils die eingangsseitige und die ausgangsseitige Temperatur des Wärmeträgers, um anhand dieser gemessenen Temperaturen den Abtauvorgang überwachen zu können. Die eingangsseitige Temperatur stellt dabei jeweils einen Abtaugrenzwert für die ausgangsseitig gemessene Temperatur dar. Sobald an einem Solarkollektor die ausgangseitige Temperatur des Wärmeträgers höher ist als dessen eingangsseitige Temperatur, weist dies daraufhin, dass dieser Solarkollektor nun selbst durch Sonneneinstrahlung eine Erwärmung des ihn durchströmenden Wärmeträgers erzielt. Die von diesem Solarkollektor gewonnene thermische Energie kann dann zum Abtauen des nachfolgenden Solarkollektors genutzt werden.
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Nachdem sämtliche Solarkollektoren 2 bis 5 ausreichend abgetaut sind, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn der die Solarkollektoren 2 bis 5 durchströmende Wärmeträger am Ausgang des Solarkollektors 5 eine höhere Temperatur hat als am Eingang des Solarkollektors 2. In diesem Fall kann die Steuerung 11 die Solarkollektoren 2 bis 5 an den Heizkreislauf HK anschließen, in dem sämtliche Umschaltventile 6 bis 10 in die obere Stellung gebracht werden, wie dies am Umschaltventil 7 dargestellt ist. Damit wird dann gleichzeitig der Abtaukreislauf AK unterbrochen und die Umwälzpumpe 16 von kann der Steuerung 11 gestoppt werden.
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In 3 ist die räumliche Anordnung der Solarkollektor-Anordnung von 1 und 2 auf einem Dach eines Gebäudes schematisch dargestellt. In 3 ist der Abtaukollektor 1 senkrecht aufgestellt, während die Solarkollektoren 2 bis 5 gleichermaßen, wie das Dach 20 des Gebäudes 21, ausgerichtet sind. Der Abtaukollektor 1 ist beispielsweise ein Vakuumröhrenkollektor, der auch bei diffuser Sonneneinstrahlung einen möglichst guten Wirkungsgrad besitzt.
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Der Abtaukollektor 1 kann eine geringere Höhe haben als die übrigen Solarkollektoren 2 bis 5. Außerdem wird der Abtaukollektor 1 dabei so aufgestellt, dass er keinen Schatten auf die Solarkollektoren 2 bis 5 wirft.
