DE102012008877A1 - Thermal solar collector with temperature limitationBy covering the collector with a double glass pane, which contains an electrically operated roller blind, heating of the collector is avoided over the boiling temperature of the heat transfer medium. - Google Patents

Thermal solar collector with temperature limitationBy covering the collector with a double glass pane, which contains an electrically operated roller blind, heating of the collector is avoided over the boiling temperature of the heat transfer medium. Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturbegrenzung in einem thermischen Solarkollektor, insbesondere in einem Flachkollektor, der über ein Übertragungsmedium Wärme in einen Speicher überträgt. Die Temperaturbegrenzung wird durch Abdeckung des Kollektors mit einer Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo erreicht, das durch einen Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann. Durch die damit erreichte Temperaturbegrenzung kann die Kollektorfläche beliebig vergrössert werden und der Ertrag einer damit ausgerüsteten Solaranlage wird erheblich gesteigert.The invention relates to a device for limiting the temperature in a solar thermal collector, in particular in a flat collector, which transfers heat via a transmission medium in a memory. The temperature limitation is achieved by covering the collector with a double glass pane with integrated roller blind, which can be closed and opened by an electric motor. As a result of the temperature limitation achieved, the collector surface can be arbitrarily increased and the yield of a solar system equipped with it is increased considerably.

Description

Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturbegrenzung in einem thermischen Solarkollektor, insbesondere in einem Flachkollektor, der über ein Übertragungsmedium Wärme in einen Speicher überträgt. Die Temperaturbegrenzung wird durch Abdeckung des Kollektors mit einer Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo erreicht, das durch einen Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann. Durch die damit erreichte Temperaturbegrenzung kann die Kollektorfläche beliebig vergrössert werden und der Ertrag einer damit ausgerüsteten Solaranlage wird erheblich gesteigert.Summary The invention relates to a device for limiting the temperature in a solar thermal collector, in particular in a flat collector, which transfers heat to a reservoir via a transmission medium. The temperature limitation is achieved by covering the collector with a double glass pane with integrated roller blind, which can be closed and opened by an electric motor. As a result of the temperature limitation achieved, the collector surface can be arbitrarily increased and the yield of a solar system equipped with it is increased considerably.

Stand der Technik Allgemein bekannt sind thermische Solarkollektoren, die zur Sammlung der im Sonnenlicht enthaltenen Energie dienen. Sie bestehen aus einem etwa 10 cm hohen Kasten mit einer Fläche von ca. 2 m2, und sind mit einer oder mehreren Glasscheiben abgedeckt. Durch etwa 5 mm dicke Röhren im Kollektor fliesst ein Übertragungsmedium, im Folgenden kurz Medium genannt, das dabei aufgeheizt wird; es überträgt seine Wärme über einen spiralförmigen Austauscher in einen Speicher. Der Speicher besteht aus einem isolierten Wasserkessel von einigen 100 l Inhalt. Eine Anlage zur Gewinnung thermischer Energie besteht somit aus dem Kollektor, dem Speicher und einer Steuereinheit. Einzelheiten dazu findet man im Internet auf den Websites der Hersteller der unter
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor PRIOR ART Thermal solar collectors which are used to collect the energy contained in sunlight are generally known. They consist of an approximately 10 cm high box with an area of about 2 m 2 , and are covered with one or more panes of glass. A transfer medium flows through approximately 5 mm thick tubes in the collector, hereafter referred to as medium, which is heated in the process; it transfers its heat via a spiral exchanger in a memory. The storage consists of an insulated kettle of some 100 liters. A plant for the production of thermal energy thus consists of the collector, the memory and a control unit. Details can be found on the Internet on the websites of the manufacturers of the
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor

Das Medium ist üblicherweise ein Gemisch von Wasser und Glykol; letzteres dient dem Frostschutz. Da die Verdampfungstemperatur dieses Mediums ca. 120 Grad Celsius beträgt muss die, Anlage abgeschaltet werden, sobald diese Temperatur in einem der Kollektoren erreicht ist. Die Überhitzung und der daraus folgende Stillstand sind die Ursache für zahlreiche Probleme mit thermischen Solaranlagen; sie sind Gegenstand intensiver Untersuchungen wie z. B. am Fraunhofer Institut für Solarenergie in Freiburg:
http://www.ise.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder-und-marktbereiche/solarthermie/thermische-solaranlagen/projekte/experimentelle-Untersuchungen-zum-stillstandsverhalten-von-thermischen-solaranlagen The medium is usually a mixture of water and glycol; the latter serves for frost protection. Since the evaporation temperature of this medium is about 120 degrees Celsius, the system must be switched off as soon as this temperature is reached in one of the collectors. Overheating and consequent standstill are the cause of many problems with solar thermal systems; they are the subject of intensive investigations such. At the Fraunhofer Institute for Solar Energy in Freiburg:
http://www.ise.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder-und-marktbereiche/solarthermie/thermische-solaranlagen/projekte/experimentelle-Untersuchungen-zum-stillstandsverhalten-von-thermischen-solaranlagen

Um die Anlage stabil zu betreiben muss das Verdampfen des Mediums möglichst vermieden werden. Bei handelsüblichen Anlagen wird das dadurch erreicht, dass die Kollektorfläche im Verhältnis zum Speicher nicht zu gross ist. Das hat jedoch den Nachteil zur Folge, dass sich der Energieertrag im Jahresmittel erheblich verringert. Die Hersteller kommerzieller Anlagen geben einen möglichen Deckungsgrad von ca. 60% für die Warmwassererzeugung und ca. 25–30% für die Heizungsunterstützung an.In order to operate the system stably, the evaporation of the medium must be avoided as far as possible. In commercial systems, this is achieved in that the collector area is not too large in relation to the memory. However, this has the disadvantage that the energy yield decreases significantly over the annual average. The manufacturers of commercial plants indicate a possible coverage of about 60% for hot water production and about 25-30% for the heating support.

Vorschlag zur Vermeidung der Überhitzung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperatur in einem Solarkollektor zuverlässig zu begrenzen und dadurch alle Probleme, die sich aus der Überhitzung eines Kollektors ergeben, von vornherein zu vermeiden. Eine Anlage lässt sich damit so planen, dass bei geeigneter Steuerung ein deutlich höherer Ertrag erzielt wird.The invention has for its object to reliably limit the temperature in a solar collector and thereby avoid all problems arising from the overheating of a collector from the outset. A system can thus be planned so that a significantly higher yield is achieved with suitable control.

Dazu wird vorgeschlagen, die Begrenzung der Kollektortemperatur durch Abdeckung des Kollektors mit einer Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo zu erreichen, das durch einen Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann. Die Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo und elektrischem Antrieb ist hermetisch abgeschlossen und daher völlig unabhängig von Wettereinflüssen. Das Material, aus dem das Rollo besteht, wird so gewählt, dass die Kollektortemperatur bei Stillstand der Anlage und maximaler Sonneneinstrahlung bei geschlossenem Rollo unterhalb der Verdampfungstemperatur des Mediums bleibt. Die Hersteller dieser Rollos geben für verschiedene Materialien Reflexionsgrade zwischen 30% und 80% an; sie können je nach Ausrichtung und Neigung des Kollektors passend gewählt werden. Damit ist die Anzahl der Kollektoren nicht begrenzt. Jeder einzelne Kollektor hat einen Temperaturfühler; sein Rollo wird immer dann geschlossen bevor die Siedetemperatur erreicht ist.For this purpose, it is proposed to achieve the limitation of the collector temperature by covering the collector with a double glass pane with an integrated roller blind which can be closed and opened by an electric motor. The double glazing with integrated roller blind and electric drive is hermetically sealed and therefore completely independent of weather conditions. The material that makes up the roller blind is chosen so that the collector temperature remains below the evaporation temperature of the medium when the system is at a standstill and maximum solar radiation is achieved when the roller blind is closed. The manufacturers of these roller blinds specify reflectivities between 30% and 80% for different materials; They can be chosen according to the orientation and inclination of the collector. Thus, the number of collectors is not limited. Each individual collector has a temperature sensor; his roller blind is always closed before the boiling temperature is reached.

Die Steuerung der gesamten Anlage kann folgendermassen erfolgen. Eine Anzahl Kollektoren ist kaskadenförmig angeordnet, das Medium durchströmt der Reihe nach alle Kollektoren wie in Zeichnung 2 gezeigt. In jedem Kollektor wird es um einen bestimmten Betrag erwärmt. Solange es beim Austritt aus dem letzten Kollektor noch nicht 120 Grad Celsius erreicht hat sind alle Kollektoren offen. Nach einiger Zeit mit Sonnenschein hat sich die Temperatur im Speicher erhöht und das Medium tritt mit höherer Temperatur in den ersten Kollektor ein. Dadurch hat es schon eine Temperatur von fast 120 Grad Celsius bevor es den letzten Kollektor erreicht. Der erste Kollektor, in dem 120 Grad erreicht sind und alle nachfolgenden werden geschlossen, so dass sich die Temperatur nicht weiter erhöht und unterhalb der Siedetemperatur bleibt. Geht die Temperatur des Mediums aufgrund von Verbrauch oder geringerer Sonneneinstrahlung zurück werden die Kollektoren sukkessive wieder geöffnet. Die Gesamtzahl der Kollektoren in einer solchen Anlage ist damit beliebig. Der Verbrauch an elektrischer Energie für das Schliessen und Öffnen der Rollos ist vernachlässigbar. Der Aufbau einer solchen Anlage ist schematisch in Zeichnung 1 gezeigt. Unter bestimmten Bedingungen bezüglich der Dachausrichtung und Neigung könnte es vorteilhaft sein, die Kollektoren parallel zu schalten und zusammen schrittweise zu öffnen oder zu schliessen.The entire system can be controlled as follows. A number of collectors are arranged in cascade, the medium flows through all the collectors in sequence as shown in drawing 2. In each collector it is heated by a certain amount. As long as it has not reached 120 degrees Celsius at the exit from the last collector, all collectors are open. After some time with sunshine, the temperature in the storage has increased and the medium enters the first collector at a higher temperature. As a result, it has already reached a temperature of almost 120 degrees Celsius before it reaches the last collector. The first collector, where 120 degrees are reached and all subsequent ones are closed, so that the temperature does not increase further and remains below the boiling point. If the temperature of the medium decreases due to consumption or lower solar radiation, the collectors are opened again sukkessive. The total number of collectors in such a system is thus arbitrary. The consumption of electrical energy for closing and opening the blinds is negligible. The structure of such a system is shown schematically in drawing 1. Under certain conditions with regard to the roof orientation and inclination, it could be advantageous to switch the collectors in parallel and to gradually open or close them together.

Um die Anlage inhärent gegen Überhitzung zu sichern erfolgt die Stromversorgung über einen Akkumulator; bei Ausfall der Netzspannung oder Erreichen der Maximaltemperatur von ca. 90 Grad im Speicher ist dadurch die Schliessung aller Kollektoren garantiert. In order to secure the system inherently against overheating, the power is supplied via a rechargeable battery; If the mains voltage fails or the maximum temperature of approx. 90 degrees in the storage tank is reached, this guarantees the closing of all collectors.

An folgendem real durchgeführten Test-Beispiel soll der Vorteil einer solchen Anlage quantitativ erläutert werden. Eine Anlage bestehe aus einem Speicher von 300 l und Kollektoren von insgesamt 4 m2. An einem Tag mit guter Sonneneinstrahlung wird dadurch eine Maximaltemperatur im Speicher von ca. 65 Grad Celsius erreicht; die maximale Temperatur in den Kollektoren im Laufe des Tages erreicht ca. 100 Grad Celsius. Bei einer Einströmtemperatur des Wassers von ca. 15 Grad Celsius hat man dadurch ca. 15 kWh thermischer Energie gewonnen.The following real test example is intended to explain the advantage of such a system quantitatively. A plant consists of a storage tank of 300 l and collectors of 4 m 2 in total. On a day with good sunshine, a maximum temperature in the storage of about 65 degrees Celsius is reached; the maximum temperature in the collectors during the day reaches about 100 degrees Celsius. With an inflow temperature of the water of approx. 15 degrees Celsius, you have gained approx. 15 kWh of thermal energy.

Vergrössert man die Kollektorfläche auf 6 m2 bei ansonsten gleicher Konfiguration der Anlage erreicht die Kollektortemperatur an einem sonnigen Tag schnell 120 Grad und die Anlage schaltet sich ab, oft für den Rest des Tages; im ungünstigsten Fall erzielt man fast keinen Energieertrag. Schaltet man die Anlage von Automatic-Betrieb auf Hand-Betrieb kann man durch geschicktes Ausnützen von wolkigen Abschnitten das Verhaken eines Kollektors mit einem Rollo simulieren. Sobald nach dem Durchzug einer Wolke die Kollekturtemperatur unter 120 Grad fällt schaltet man den Umlauf des Mediums sofort wieder ein; dadurch kann man eine Speichertemperatur von 85 Grad Celsius oder mehr erreichen, d. h. eine Temperaturdifferenz von etwa 70 Grad Celsius entsprechend einem Gewinn von ca. 20 kWh. Der Energieertrag ist also ca. 30% höher als bei einer Kollektorfläche von nur 4 m2.If you increase the collector area to 6 m 2 with the same configuration of the system, the collector temperature will reach 120 degrees on a sunny day and the system will switch off, often for the rest of the day; in the worst case one achieves almost no energy yield. If you switch the system from automatic mode to manual mode, you can simulate the snagging of a collector with a roller blind by skilfully exploiting cloudy sections. As soon as the collector temperature drops below 120 degrees after the passage of a cloud, the circulation of the medium is immediately switched on again; This allows you to reach a storage temperature of 85 degrees Celsius or more, ie a temperature difference of about 70 degrees Celsius corresponding to a gain of about 20 kWh. The energy yield is thus about 30% higher than with a collector surface of only 4 m 2 .

In der sonnenarmen Jahreszeit erzielt man mit 4 m2 Kollektorfläche nur ca. 50 Grad Speichertemperatur, während sich mit 6 m2 ca. 70 Grad erreichen lassen. Dadurch, dass die Anzahl der Kollektoren mit Temperaturbegrenzung nicht durch das Überhitzungsproblem begrenzt ist, Hessen sich auch in grösseren Speichern hohe Temperaturen erreichen, die den Ertrag bei Heizungsunterstützung deutlich verbessern würden.In the sun-poor season, with a collector surface of only 4 m 2, it is only possible to reach a storage temperature of about 50 degrees, while with 6 m 2 , it is possible to reach about 70 degrees. The fact that the number of collectors with temperature limitation is not limited by the overheating problem, Hessen reach even in larger storage high temperatures that would significantly improve the yield in heating support.

Der Betrieb eines Kollektors mit Temperaturbegrenzung ist völlig unabhängig von den anderen Komponenten einer Solaranlage, insbesondere von der zentralen Steuereinheit. Das heisst, in bereits vorhandenen Anlagen liesse sich nur durch Austausch der Kollektoren und Vergrösserung ihrer Anzahl der Ertrag erheblich steigern.The operation of a temperature limited collector is completely independent of the other components of a solar system, in particular the central control unit. This means that in already existing plants, it would only be possible to increase the yield considerably by replacing the collectors and increasing their number.

Einwandbehandlung Es gibt verschiedene Vorschläge, mit denen eine Überhitzung eines thermischen Kollektors vermieden werden soll. Bis heute wurde für keines der nachfolgenden Patente eine Lizenz erteilt.Objection treatment There are several proposals to avoid overheating a thermal collector. To date, no license has been granted for any of the following patents.

DE 10 2009 030 638 A1 . Der dort vorgeschlagene Überhitzungsschutz soll durch ein aktives Kühlsystem erreicht werden. Der dafür erforderliche Aufwand steigt mit der Kollektorfläche; die Kühlung erfordert erhebliche elektrische Energie, was überhaupt nicht erwähnt wird; bei einer Unterbrechung der Netzspannung fällt die Kühlung aus, damit werden praktisch alle dort aufgezählten Vorteile wirkungslos, die Anlage wird beschädigt oder zerstört; eine Nachrüstung bestehender Anlagen ist kaum möglich; die angegebenen Werte für die Ertragssteigerung werden in keiner Weise begründet. DE 10 2009 030 638 A1 , The proposed overheating protection is to be achieved by an active cooling system. The required effort increases with the collector surface; the cooling requires considerable electrical energy, which is not mentioned at all; in the event of an interruption of the mains voltage, the cooling fails, so that virtually all the advantages listed there are ineffective, the system is damaged or destroyed; a retrofitting of existing systems is hardly possible; the stated values for the yield increase are not substantiated in any way.

DE 10 2007 033 565 A1 . Der dort vorgechlagene Mechanismus zum Überhitzungsschutz ist vorzugsweise für CPC (Compound Parabolic Concentrator) Röhrenkollektoren geeignet und nicht für die hier betrachteten Flachkollektoren. DE 10 2007 033 565 A1 , The overheating protection mechanism proposed there is preferably suitable for CPC (compound parabolic concentrator) tube collectors and not for the flat collectors considered here.

DE 10 2007 044 136 A1 . Das vorgeschlagene Verfahren zum Überhitzungsschutz erfordert ein kompliziertes System von Pumpen und Ventilen, das nicht beschrieben wird; auf Änderung der Sonneneinstrahlung reagiert das System nicht flexibel genug; bei Ausfall der Netzspannung funktioniert das vorgeschlagene Verfahren nicht, die Anlage wird durch Überhitzung beschädigt. DE 10 2007 044 136 A1 , The proposed method of overheating protection requires a complicated system of pumps and valves which will not be described; the system does not respond flexibly enough to changes in the sun's rays; if the mains voltage fails, the proposed method does not work and the system is damaged by overheating.

DE 0000 030 15061 A1 . Der dort vorgeschlagene Überhitzungsschutz soll dadurch erreicht werden, dass bei Erreichen einer kritischen Temperatur im Kollektor ein Teil des wärmeabführenden Mediums durch Umleiten in einen luftgekühlten Wärmeaustauscher geleitet wird. Der Aufwand für diese Kühlung steigt mit der Kollektorfläche; ein Nachrüsten bestehender Anlagen ist nur schwer möglich; bei Ausfall der Netzspannung versagt diese Kühlung grösstenteils. DE 0000 030 15061 A1 , The proposed overheating protection is to be achieved in that upon reaching a critical temperature in the collector part of the heat dissipating medium is passed by diverting into an air-cooled heat exchanger. The cost of this cooling increases with the collector surface; Retrofitting existing systems is difficult; If the mains voltage fails, this cooling largely fails.

DE 0000 030 15061 A1 . Der Austausch des Wärmeübertragungsfluids zwischen Kollektor und externer Vorrichtung erfordert ein kompliziertes System von Pumpen und Ventilen, das nicht beschrieben wird; das Problem der Entlüftung, die nach jedem Austausch erforderlich ist, wird nicht erwähnt; bei Ausfall der Netzspannung funktioniert das System nicht. DE 0000 030 15061 A1 , The replacement of the heat transfer fluid between the collector and the external device requires a complicated system of pumps and valves which will not be described; the problem of venting required after each replacement is not mentioned; if the mains voltage fails, the system will not work.

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Claims (9)

Vorrichtung zur Temperaturbegrenzung in einem Solarkollektor, insbesondere einem Flachbett-Kollektor.Device for limiting the temperature in a solar collector, in particular a flat-bed collector. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlte Sonnenenergie durch ein Rollo in einer hermetisch abgeschlossenen Doppelglas-Scheibe begrenzt wird, das durch einen integrierten Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann.Solar collector according to claim 1, characterized in that the irradiated solar energy is limited by a roller blind in a hermetically sealed double glass pane that can be closed and opened by an integrated electric motor. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schliessen durch einen Temperaturfühler in dem Kollektor gesteuert wird.Solar collector according to claim 1, characterized in that the opening and closing is controlled by a temperature sensor in the collector. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur in einem Kollektor auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird.Solar collector according to claim 1, characterized in that the maximum temperature in a collector is limited to a predetermined value. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollo aus einem solchen Material hergestellt ist, dass in geschlossenem Zustand bei maximaler Sonneneinstrahlung die Siedetemperatur des wärmeübertragenden Mediums nicht überschritten wird.Solar collector according to claim 1, characterized in that the roller blind is made of such a material that in the closed state at maximum solar radiation, the boiling temperature of the heat transfer medium is not exceeded. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Solaranlage, die mit diesen Kollektoren ausgestattet ist, die bei der aktuellen Sonneneinstrahlung maximal erreichbare Temperatur des wärmeübertragenden Mediums unterhalb der Siedetemperatur erzielt.Solar collector according to claim 1, characterized in that a solar system, which is equipped with these collectors, which achieves the maximum achievable temperature of the heat transfer medium below the boiling temperature at the current solar radiation. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch autonome Steuerung jedes einzelnen Kollektors der Einbau in vorhandene Solaranlagen möglich ist.Solar collector according to claim 1, characterized in that by autonomous control of each collector of the installation in existing solar systems is possible. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung des elektrischen Antriebs der Rollos über einen Puffer-Akku erfolgt; dadurch wird die Schliessung der Kollektoren auch bei Netzstrom-Ausfall gesichert und damit die Überhitzung garantiert vermieden.Solar collector according to claim 1, characterized in that the power supply of the electric drive of the blinds via a buffer battery; As a result, the closing of the collectors is secured even in the event of a mains power failure and thus overheating is guaranteed to be avoided. Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlte Sonnenenergie durch Abdeckung des Kollektors mit einem ”Schaltbaren Glass” begrenzt werden kann.Solar collector according to claim 1, characterized in that the irradiated solar energy can be limited by covering the collector with a "switchable glass".
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