DE102014000672A1

DE102014000672A1 - Solaranlage

Info

Publication number: DE102014000672A1
Application number: DE201410000672
Authority: DE
Inventors: Stefan Abrecht; Rolf Meissner
Original assignee: Ritter XL Solar GmbH
Current assignee: Ritter Energie und Umwelttechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: AT514111A3; DE102014000672B4; AT514111B1; AT514111A2

Abstract

Eine Solaranlage (1) hat einen Kollektor (2) mit einem Kollektoreinlass (3) und einem Kollektorauslass (4) für einen flüssigen Wärmeträger sowie einen Wärmeabnehmer (5) mit einer Einlassöffnung (6) und einer Auslassöffnung (7). Der Kollektorauslass (4) ist zur Bildung eines Solarkreislaufs über einen Solarvorlauf (8) mit der Einlassöffnung (6) und die Auslassöffnung (7) über einen Solarrücklauf (9) mit dem Kollektoreinlass (3) verbunden. Zum Umwälzen des Wärmeträgers ist eine Pumpe (10) vorgesehen. Mittels einer Betriebszustands-Erfassungseinrichtung ist ein Stagnations-Betriebszustand der Solaranlage (1) detektierbar. Der Solarrücklauf (9) ist über einen zwischen einer Durchlass- und einer Sperrstellung verstellbaren Bypass (15) mit dem Solarvorlauf (8) verbunden. Die Pumpe (10) ist im Solarrücklauf (9) zwischen der Auslassöffnung (7) und dem Bypass (15) angeordnet. Die Solaranlage (1) hat einen Rückflussverhinderer (11) für die Pumpe (10) und eine Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung (17). Die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung steht derart mit dem Bypass in Steuerverbindung, dass sich dieser in der Durchlassstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert. Die Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung (17) ist derart mit dem Solarkreislauf verbunden, dass beim Verdampfen von im Kollektor (2) befindlichem Wärmeträger flüssiger Wärmeträger aus dem Kollektor (2) über den Bypass (15) zu der Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung (17) hin verdrängt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solaranlage, die einen thermischen Kollektor mit einem Kollektoreinlass und einem Kollektorauslass für einen flüssigen Wärmeträger sowie einen Wärmeabnehmer mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung für den Wärmeträger hat, wobei der Kollektorauslass zur Bildung eines Solarkreislaufs über einen Solarvorlauf mit der Einlassöffnung und die Auslassöffnung über einen Solarrücklauf mit dem Kollektoreinlass verbunden sind, und wobei im Solarrücklauf eine Pumpe zum Umwälzen des Wärmeträgers angeordnet ist, und wobei die Solaranlage eine Betriebszustands-Erfassungseinrichtung aufweist, mittels der ein Stagnations-Betriebszustand der Solaranlage detektierbar ist, bei dem der Wärmeträger im Kollektor verdampft und/oder die Gefahr eines Verdampfens des Wärmeträgers gegeben ist.
Wenn flüssigkeitsführende thermische Solaranlagen ohne mechanische Nachführung ihre Wärme nicht abgeben können, schalten sie ab und werden sie immer heißer, bis sie ihre Stagnationstemperatur erreichen. Die Stagnationstemperatur ist i. d. R. oberhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeiten, insbesondere wenn es sich dabei um Wasser oder um Wasser-Frostschutzgemische handelt. Es ist angewandte Praxis, dass bis zu Temperaturen von ca. 160°C das Sieden vermieden wird, indem der zulässige Druck hoch genug ist. Viele Kollektoren erreichen aber so hohe Stagnationstemperaturen, dass die Siedevermeidung über den Druckanstieg kompliziert oder nicht möglich ist. Also muss dann das Sieden des Kollektorfeldes technisch beherrscht werden. Das Sieden des Kollektorfeldes wird nicht enden, bevor in allen Kollektoren nur noch Dampf ist. Das ergibt viele Probleme. Ein Problem ist, dass während des Siedens eine enorme Volumenausdehnung des Anlageninhaltes stattfinden kann, was eine sehr aufwändige Ausdehnungsvorrichtung erfordert. Ein zweites Problem ist, dass während des Siedens noch sehr viel Wärme an das System abgegeben wird, die nicht gebraucht wird. Das dritte Problem ist, dass während des Siedens die ganze Anlage mit wesentlich höheren Temperaturen thermisch belastet wird, als für den Normalbetrieb vorgesehen ist, wenn sich der Dampf überall ausbreiten kann. Weitere Probleme sind Dampfschläge und die Grenzen thermischer Ausdehnung.
Aus DE 30 21 422 A1 ist eine Solaranlage der eingangs genannten Art bekannt, die der unmittelbaren Erwärmung von unter dem üblichen Kaltwasser-Netzdruck stehenden Brauchwasser dient. Die Solaranlage hat einen thermischen Kollektor mit einem Kollektoreinlass und einem Kollektorauslass für einen flüssigen Wärmeträger. Außerdem weist die Solaranlage einen als Speicherbehälter ausgestalteten Wärmeabnehmer mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung für den Wärmeträger auf. Der Kollektorauslass ist zur Bildung eines Solarkreislaufs über einen Solarvorlauf mit der Einlassöffnung und die Auslassöffnung über einen Solarrücklauf mit dem Kollektoreinlass verbunden. Im Solarrücklauf ist eine Pumpe zum Umwälzen des Wärmeträgers im Solarkreislauf angeordnet. Ein Abschnitt des Solarrücklaufs, der sich von der Auslassöffnung des Wärmeabnehmers in Förderrichtung der Pumpe bis zu dieser erstreckt, ist an einer Kaltwasser-Zulaufleitung angeschlossen.
Die Solaranlage hat eine Betriebszustands-Erfassungseinrichtung, mittels der ein Stagnations-Betriebszustand der Solaranlage detektierbar ist, bei dem der Wärmeträger im Kollektor verdampft und/oder bei dem die Gefahr eines Verdampfens des Wärmeträgers besteht. Der Stagnations-Betriebszustand wird mit Hilfe mindestens eines Thermostaten detektiert, mittels dem die Annäherung der Wärmeträgertemperatur im Kollektor an den Siedepunkt des Wärmeträgers gemessen werden kann.
Um die Gefahr, dass im Stagnations-Betriebszustand im Solarkreislauf ein unzulässig hoher Überdruck im Solarkreislauf entsteht, zu vermeiden, weist die Solaranlage eine Entleerungseinrichtung für den Kollektor auf. Die Entleerungseinrichtung hat im Solarvorlauf ein erstes 3/2-Wegeventil und im Solarrücklauf ein zweites 3/2-Wegeventil. Die 3/2-Wegeventile stehen derart mit der Betriebszustands-Erfassungseinrichtung in Steuerverbindung, dass der Wärmeträger während des normalen Betriebs der Solaranlage über den Kollektor und den Wärmeabnehmer im Solarkreislauf umgewälzt wird.
Während des Auftretens des Stagnations-Betriebszustands ist ein in Förderrichtung der Pumpe vom ersten 3/2-Wegeventil zum Wärmeabnehmer führender Abschnitt des Solarvorlaufs durch das erste 3/2-Wegeventil gesperrt und ein in Förderrichtung vom Kollektorauslass zum ersten 3/2-Wegeventil führender weiterer Abschnitt des Solarvorlaufs ist über das ersten 3/2-Wegeventil mit einer Ablaufleitung verbunden, um diesen Abschnitt des Solarvorlaufs zu entleeren.
In entsprechende Weise ist während des Auftretens des Stagnations-Betriebszustands ein in Förderrichtung der Pumpe von dieser zum zweiten 3/2-Wegeventil führender Abschnitt des Solarrücklaufs durch das zweite 3/2-Wegeventil gesperrt und ein in Förderrichtung vom zweiten 3/2-Wegeventil zum Kollektoreinlass führender weiterer Abschnitt des Solarrücklaufs ist über das zweite 3/2-Wegeventil mit der Ablaufleitung verbunden, um den Kollektor zu entleeren.
Bei Annährung an den Siedepunkt soll diese Einrichtung dafür sorgen, dass der obere Teil der Solaranlage, das sind der Kollektor und die dazu benachbarten Rohrabschnitte, sich entleeren. Diese Lösung ist der Fachwelt als „Drain-Back”-System bekannt und für Kleinanlagen (Brauchwasseranlagen mit Brauchwasserspeicher) einsetzbar. Bei Drain-Back-Systemen müssen der Kollektor und die Rohre völlig leerlaufen, was für aus vielen Kollektoren bestehende Kollektorfelder eher nicht in Frage kommt, und die Rohrquerschnitte, die Rohrführung (Gefälle) sowie die Konstruktion der Kollektoren müssen sich dem Ziel des Entleerens unterordnen. Die beschriebene Einrichtung bezieht sich auf offene Solaranlagen, weil sie nach jeder Entleerung immer wieder mit frischem Brauchwasser befüllt wird. Die Vorrichtung beschleunigt oder beruhigt nicht den Prozess der Flüssigkeitsverdampfung im Kollektorfeld einer flüssigkeitsführenden (geschlossenen) thermischen Solaranlage.
Für Thermosiphonanlagen, das sind sehr kleine Solaranlagen, die anstatt mit einer Pumpe mit der Schwerkraft angetrieben werden, indem vor allem der Speicher oberhalb des Kollektors angeordnet wird, ist aus DE 20 2006 016 098 U1 ein Überhitzungsschutz bekannt. Dieser besteht im Wesentlichen darin, dass bei Erreichen einer Temperatur, die relativ weit unterhalb der Siedetemperatur liegt, ein Ventil im Solarvorlauf schließt, wonach die Solarflüssigkeit über den Rücklauf in einen Wärmetauscher drückt. Ziel dabei ist es, dass sich der Kollektor beim Sieden weitgehend in den Wärmetauscher entleert. Dazu werden noch viele Details erwähnt, vor allem kommt es auf ein geeignetes Kanalsystem im Kollektor an. Diese Art des Überhitzungsschutzes für einen Thermosiphon ist auf Solaranlagen mit Solarpumpen, mit Speichern, die sich unterhalb der Kollektoren befinden, auf Solaranlagen ohne Speicher oder auf Kollektoren, die darauf konstruktiv keine Rücksicht nehmen, nicht anwendbar.
Aus DE 27 22 451 A1 ist ferner eine Solaranlage bekannt, bei der beim Sieden des Wärmeträgers im Kollektor flüssiger Wärmeträger aus dem Kollektor über den Solarrücklauf zu einem Ausdehnungsgefäß hin verdrängt wird. Aber die Praxis vieler Jahre zeigte, dass diese Solaranlage gerade hinsichtlich des Überhitzungsschutzes unbefriedigend funktioniert. Wenn der Wärmeträger im Kollektor siedet, nimmt der Dampf nicht nur den kürzesten Weg über den Solarrücklauf zum Ausdehnungsgefäß, sondern zu einem kleineren Anteil auch über den Solarvorlauf. Das kann zu Überhitzung und Zerstörung von Bauteilen führen wie z. B. der Solarpumpe. Diese Gefahr wird umso gravierender, je leistungsstärker die verwendeten Kollektoren sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Solaranlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, beim Auftreten des Stagnations-Betriebszustands die Menge des im Kollektor verdunstenden Wärmeträgers auf einfache Weise zu begrenzen. Dabei soll ein umständliches Ablassen des Wärmeträgers und ein anschließendes Wiederbefüllen der Solaranlage vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese sehen vor, dass der Solarrücklauf über einen Bypass mit dem Solarvorlauf verbunden ist, dass für den Bypass eine Stelleinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher der Bypass zwischen einer Durchlass- und einer Sperrstellung verstellbar ist, dass die Pumpe in einem Abschnitt des Solarrücklaufs angeordnet ist, der sich von der Auslassöffnung in Förderrichtung der Pumpe bis zum Bypass erstreckt, dass im Solarkreislauf ein Rückflussverhinderer für die Pumpe vorgesehen, dass die Solaranlage eine Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung für den Wärmeträger umfasst, dass die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung derart mit der Stelleinrichtung in Steuerverbindung steht, dass sich der Bypass in der Durchlassstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert, und dass die Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung derart mit dem Solarkreislauf verbunden ist, dass beim Verdampfen von im Kollektor befindlichen Wärmeträger flüssiger Wärmeträger aus dem Kollektor über den Bypass zu der Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung hin verdrängt wird. Unter einem Bypass wird eine Brücke verstanden, in der kein Solarkollektor angeordnet ist.
Dadurch wird erreicht, dass sich im Stagnations-Betriebszustand der Solaranlage möglichst wenig Dampf bildet und der sich bildende Dampf möglichst schnell möglichst viel Flüssigkeit aus dem Kollektor verdrängt. Erfindungsgemäß ist die Solaranlage so ausgestaltet, dass sich die Fließwege des Wärmeträgers bei Dampfbildung derart verändern, dass der durch dem Dampfdruck aus dem Kollektor verdrängte Wärmeträger und ggf. der aus dem Kollektor verdrängte Dampf über die Einlassöffnung des Kollektors und den Bypass in Richtung auf die Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung zu strömen kann, ohne mit der Pumpe in Kontakt zu geraten. In vorteilhafter Weise wird dadurch eine thermische Belastung der Pumpe mit Heißdampf und/oder überhitztem Wärmeträger vermieden und dennoch kann der im Kollektor noch vorhandene flüssige Wärmeträger wirkungsvoll und schnell aus diesem verdrängt werden. Somit wird der Bildung von weiterem Wärmeträger-Dampf entgegengewirkt und der Druckanstieg im Solarkreislauf wird begrenzt. Der Rückflussverhinderer bewirkt, dass die Solarpumpe und ggf. weitere Aggregate im Solarrücklauf von dem Siedeprozess ferngehalten werden. Die erfindungsgemäße Solaranlage ermöglicht eine Dämpfung der bei Stagnation auftretenden Strömungen und Effekte (Stagnationsdämpfung).
Im Kollektor siedet der Wärmeträger nicht gleichzeitig, sondern zuerst am Kollektorauslass, wo er am heißesten ist. Bei der erfindungsgemäßen Solaranlage kehrt sich bei Dampfbildung nach Abschaltung der Solaranlage die Fließrichtung im Kollektor ganz oder teilweise um. Die Umkehrung der Fließrichtung entsteht dadurch, dass bereits der erste sich bildende Dampf das noch nicht siedende Wasser rückwärts wieder aus dem Kollektor herauspresst. Dies beschleunigt den Prozess der Kollektorentleerung, reduziert die Gesamtausdehnung und begrenzt den Temperaturanstieg auf die druckabhängige Siedetemperatur.
Wenn es sich bei dem Wärmeträger in der Solaranlage um dieselbe Flüssigkeit handelt, die auch im wärmeverbrauchenden Prozess verwendet wird, kann die Ausdehnungs- und Druckhaltevorrichtung auch dem Wärmeabnehmer angeordnet sein, d. h. die Ausdehnung des Wärmeträgers kann dann selbst im Falle von Dampfbildung im Kollektorfeld in den wärmeverbrauchenden Prozess hinein erfolgen, z. B. in das Wärmenetz.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung in einem Abschnitt des Solarvorlaufs angeordnet, der sich vom Kollektorauslass in Förderrichtung der Pumpe bis zur Einlassöffnung erstreckt. Heißer Wärmeträger, der beim Verdampfen von im Kollektor befindlichem Wärmeträger aus diesem verdrängt wird, gelangt dann über den Solarvorlauf nicht in den Wärmeabnehmer. Somit kann der Wärmeabnehmer für niedrigere Temperaturen dimensioniert sein, ohne dass die Gefahr besteht, dass dieser beim Verdampfen des im Kollektor befindlichen Wärmeträgers thermisch geschädigt wird.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung über ein Kondensationsgefäß mit dem Solarkreislauf verbunden. Wärmeträger, der beim Auftreten des Stagnations-Betriebszustands im Kollektor verdampft und expandiert kann dann im Kondensationsgefäß kondensieren und in den flüssigen Zustand überführt werden, so dass sich sein Volumen stark vermindert. Dadurch wird im Stagnations-Betriebszustand der Druckanstieg im Solarkreislauf begrenzt. Die Ausdehnungs- und Druckhaltevorrichtung kann dadurch mit kompakten Abmessungen kostengünstig ausgestaltet werden. Flüssiger, heißer Wärmeträger, der im Stagnations-Betriebszustand aus dem Kollektor verdrängt wird, wird im Kondensationsgefäß abgekühlt, bevor er mit der Ausdehnungs- und Druckhaltevorrichtung in Kontakt gerät. Es werden also das Ausdehnungsvolumen und die Temperatur in der Ausdehnungs- und Druckhaltevorrichtung begrenzt, so dass die zulässige Betriebstemperatur der Ausdehnungs- und Druckhaltevorrichtung nicht überschritten wird. Das Kondensationsgefäß ist bevorzugt derart mit dem Solarkreislauf verbunden, dass es beim normalen Betrieb der Solaranlage nicht vom Wärmeträger durchströmt wird. Die Temperatur des Wärmeträgervorrats kann daher beim normalen Betrieb der Solaranlage etwa der Umgebungstemperatur des Kondensationsgefäßes entsprechen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in dem Kondensationsgefäß ein Wärmeträgervorrat angeordnet, und das Kondensationsgefäß weist unterhalb des Wärmeträgervorrats eine mit dem Solarkreislauf verbundene Eintrittsöffnung auf. Da die Eintrittsöffnung des Kondensationsgefäßes unterhalb des Wärmeträgervorrats angeordnet ist, wird dieser von eventuellem gasförmigen Wärmeträger, der im Stagnations-Betriebszustand aus dem Kollektor in das Kondensationsgefäß gelangt, durchströmt, wobei der gasförmige Wärmeträger Wärmeenergie an den Wärmeträgervorrat angibt und kondensiert. Die Speicherkapazität des Wärmeträgervorrats ist bevorzugt so dimensioniert, dass auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen im Stagnations-Betriebszustand kein Dampf in die Ausdehnungs- und Druckhaltevorrichtung gelangt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in einem Abschnitt des Solarvorlaufs, der sich vom Kollektorauslass in Förderrichtung der Pumpe bis zum Bypass erstreckt, eine in eine Offen- und eine Schließstellung verstellbare erste Absperreinrichtung angeordnet, wobei die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung derart mit der ersten Absperreinrichtung in Steuerverbindung steht, dass sich diese in der Schließstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert. Beim Verdampfen des im Kollektor befindlichen Wärmeträgers kann dann der noch im Kollektor befindliche flüssige Wärmeträger nur durch den Kollektoreinlass hindurch zu der Ausdehnungs- und Druckhalteeirichtung hin verdrängt werden. Dadurch können auch bei Solaranlagen, bei denen der Höhenunterschied zwischen dem Kollektor und dem Bypass nur gering ist, wie es z. B. bei Kollektorfeldern zu ebener Erde der Fall ist, Dampfschläge ausgeschlossen werden.
Zweckmäßig ist, wenn die Stelleinrichtung im Bypass ein 2/2-Wegeventil aufweist. Die Stelleinrichtung kann dann kostengünstig realisiert werden. Bevorzugt ist die Stelleinrichtung mittels eines Elektromotors oder eines Elektromagnets verstellbar.
Das 2/2-Wegeventil als Bypass ist am wirksamsten, wenn sich der Kollektor oder die Kollektoren einige Meter über dem 2/2-Wegeventil befinden. Dann entleert sich der Kollektor überwiegend rückwärts durch den Bypass, weil sich aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen Dampf und Flüssigkeit ein Druckunterschied zwischen Solarvorlauf und Solarrücklauf einstellt. Ohne Höhenunterschied zwischen Kollektorfeld und 2/2-Wegeventil, wie es z. B. bei Kollektoren zu ebener Erde der Fall ist, entleert sich das Kollektorfeld in beide Richtungen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Stelleinrichtung im Solarvorlauf ein 3/2-Wegeventil auf, das einen mit dem Bypass verbundenen ersten Fluidanschluss, einen mit dem Kollektorauslass verbundenen zweiten Fluidanschluss und einen mit der Einlassöffnung des Wärmeabnehmers verbundenen dritten Fluidanschluss aufweist, wobei 3/2-Wegeventil in eine erste Ventilstellung bringbar ist, in welcher der dritte Fluidanschluss nur mit dem zweiten Fluidanschluss verbunden ist, wobei 3/2-Wegeventil in eine zweite Ventilstellung bringbar ist, in welcher der dritte Fluidanschluss nur mit dem ersten Fluidanschluss verbunden ist, und wobei die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung derart mit dem 3/2-Wegeventil in Steuerverbindung steht, dass sich das 3/2-Wegeventil in der zweiten Ventilstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert. Somit kann beim Auftreten des Stagnations-Betriebszustands mit nur einem Wegeventil der Bypass geöffnet und der sich vom Kollektorauslass in Förderrichtung der Pumpe zum 3/2-Wegeventil erstreckende Abschnitt des Solarvorlaufs gesperrt werden. Die Solaranlage ermöglicht dadurch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist in einem Abschnitt des Solarvorlaufs, der sich vom Bypass in Förderrichtung der Pumpe bis zur Einlassöffnung des Wärmeabnehmers erstreckt, eine in eine Offen- und eine Schließstellung verstellbare zweite Absperreinrichtung angeordnet, wobei die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung derart mit der zweiten Absperreinrichtung in Steuerverbindung steht, dass sich diese in der Schließstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass beim Verdampfen des Wärmeträgers im Kollektor Dampf und/oder heißer Wärmeträger aus dem Kollektor über den Solarvorlauf in den Wärmeabnehmer gelangen kann.
Vorteilhaft ist, wenn die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung mindestens einen Temperatursensor aufweist. Dabei ist der mindestens eine Temperatursensor bevorzugt zur Messung der Temperatur des Wärmeträgerfluids im Kollektor angeordnet, insbesondere zur Messung der Temperatur am Kollektorausgang. Der mindestens eine Temperatursensor kann auch zur Messung der Temperatur des Wärmeträgerfluids im und/oder am Wärmeabnehmer angeordnet sein. In diesem Fall ist der Temperatursensor bevorzugt zur Messung der Temperatur des Wärmeträgerfluids an der Einlassöffnung ausgestaltet bzw. angeordnet. Es ist auch denkbar, dass der mindestens eine Temperatursensor im Solarrücklauf angeordnet ist, vorzugsweise in einem Abschnitt des Solarrücklaufs, der sich von der Einlassöffnung in Förderrichtung der Pumpe bis zu dieser erstreckt. Der Stagnations-Betriebszustand kann detektiert werden, wenn die Temperatur des Wärmeträgers im Kollektor einen vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet. Der Stagnations-Betriebszustand kann aber detektiert werden, wenn die Temperatur des Wärmeträgers im Kollektor einen vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet und die Differenz zwischen der Temperatur des Wärmeträgers an der Einlassöffnung und der Temperatur des Wärmeträgers an der Auslassöffnung des Wärmeabnehmers einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Dies lässt darauf schließen, dass weniger Wärme abgenommen als produziert wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur zu verstellen. So kann beispielsweise ein plötzlicher Temperaturanstieg bei gleichzeitigem Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur im Kollektor darauf hindeuten, dass ein Verdampfen des Wärmeträgers im Kollektor bevorsteht.
Bevorzugt ist der Rückflussverhinderer in einem Abschnitt des Solarrücklaufs angeordnet, der sich in Förderrichtung der Pumpe von dieser bis zum Bypass erstreckt. Der beim Verdampfen des Wärmeträgers aus dem Kollektor verdrängte flüssige und/oder gasförmige Wärmeträger kann durch diese Maßnahme noch zuverlässiger von der Pumpe ferngehalten werden.
Die Erfindung ist besonders nützlich, wenn es sich bei dem Wärmeträger in der Solaranlage um dieselbe Flüssigkeit handelt, die auch im wärmeverbrauchenden Prozess verwendet wird, z. B. im Solarwärmespeicher oder im Wärmenetz, und wenn diese Flüssigkeit sich bei thermischer Stagnation im Kollektor chemisch und physikalisch stabil, d. h. reversibel verhält. Dies ist umso wichtiger, je höher die Stagnationstemperaturen sind. Besonders hohe Stagnationstemperaturen haben Vakuumkollektoren im Allgemeinen und Dewar- oder Sydney-Vakuumröhrenkollektoren mit CPC-Spiegeln im Besonderen, wie sie z. B. in DE 20 2012 011 344 U1 für eine Ausführung mit Baustahlregister beschrieben sind. Eine zur Anwendung der Erfindung besonders geeignete Flüssigkeit ist Wasser.
Ein Vorzug der Erfindung besteht darin, dass sie auf beliebig große Solaranlagen anwendbar ist, deren Kollektorfelder aus beliebig vielen Einzelkollektoren bestehen können.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Ersatzschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Solaranlage, bei welcher der Solarvorlauf über einen Bypass mit dem Solarrücklauf verbunden ist, der mittels eines Zweiwegeventils in eine Durchlass- und eine Sperrstellung verstellbar ist,
2 ein Ersatzschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Solaranlage, bei welcher der Solarvorlauf mittels eines weiteren Zweiwegeventils absperrbar ist,
3 ein Ersatzschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Solaranlage, bei welcher der Bypass über ein 3/2-Wegeventil mit dem Solarvorlauf verbindbar ist,
4 ein Ersatzschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Solaranlage, die ein Kondensationsgefäß aufweist, und
5 ein Ersatzschaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels der Solaranlage, bei welcher das Kondensationsgefäß im Bypass angeordnet ist.
Eine in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Solaranlage weist einen thermischen Kollektor 2 mit einem Kollektoreinlass 3 und einem Kollektorauslass 4 für einen flüssigen Wärmeträger, wie z. B. Wasser auf. Der Kollektoreinlass 3 ist an einer tieferen Stelle des Kollektors 2 angeordnet als der Kollektorauslass 4.
Die Solaranlage 1 hat außerdem einen in der Zeichnung nur schematisch dargestellten Wärmeabnehmer 5 oder Wärmeverbraucher, der eine Einlassöffnung 6 und einer Auslassöffnung 7 für den Wärmeträger hat.
Der Kollektorauslass 4 ist zur Bildung eines Solarkreislaufs über einen Solarvorlauf 8 mit der Einlassöffnung 6 und die Auslassöffnung 7 über einen Solarrücklauf 9 mit dem Kollektoreinlass 3 verbunden. Zum Umwälzen des Wärmeträgers in dem Solarkreislauf ist im Solarrücklauf 9 eine Pumpe 10 angeordnet. In einem Abschnitt des Solarrücklaufs, der sich von der Pumpe 10 zum Kollektoreinlass erstreckt, ist ein Rückflussverhinderer 11 im Solarkreislauf vorgesehen, der in Förderrichtung 12 der Pumpe 10 für den Wärmeträger durchlässig ist und einen Wärmeträgerfluss entgegen der Förderrichtung 12 sperrt.
Die Solaranlage 1 weist eine Betriebszustands-Erfassungseinrichtung auf, mittels der ein Stagnations-Betriebszustand der Solaranlage 1 detektierbar ist, bei dem der Wärmeträger im Kollektor verdampft und/oder die Gefahr eines Verdampfens des Wärmeträgers gegeben ist. Die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung hat ein Steuer- bzw. Regelgerät 13, das über in der Zeichnung nur schematisch angedeutete elektrische Leitungen mit Temperatursensoren 14A, 14B, 14C verbunden sind, mittels denen die Temperatur des Wärmeträgers am Kollektorauslass 4, an der Einlassöffnung 6 des Wärmeabnehmers 5 und im Solarvorlauf 8 messbar ist.
Der Solarrücklauf 9 ist über einen Bypass 15 mit dem Solarvorlauf 8 verbunden. Das eine Ende des Bypasses 15 ist an einer ersten Verzweigungsstelle am Solarvorlauf 8 und das andere Ende des Bypasses 15 ist an einer zweiten Verzweigungsstelle am Solarrücklauf 9 angeschlossen. Beide Verzweigungsstellen sind unterhalb des Kollektors angeordnet und von diesem beabstandet.
Der Bypass 15 ist mittels einer Stelleinrichtung 16 zwischen einer Durchlass- und einer Sperrstellung verstellbar ist. Bei den in den 1, 2 und 4 abgebildeten Ausführungsbeispielen weist die Stelleinrichtung 16 ein 2/2-Wegeventil auf.
Wie in 1 bis 5 erkennbar ist, ist die Pumpe 10 in einem Abschnitt des Solarrücklaufs 9 angeordnet ist, der sich von der Auslassöffnung 7 in Förderrichtung 12 bis zum Bypass 15 erstreckt. Der Rückflussverhinderer ist zwischen der Pumpe 10 und dem Bypass 15 im Solarrücklauf 9 angeordnet.
Die Solaranlage 1 weist ferner eine Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung 17 für den Wärmeträger auf, die bei den in 1, 2, 3 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen über eine Stichleitung an einer Verzweigungsstelle angeschlossen ist, die sich in einem Abschnitt des Solarvorlaufs 8 befindet, der sich vom Bypass 15 in Förderrichtung 12 der Pumpe 10 bis zur Einlassöffnung 6 des Wärmeabnehmers 5 erstreckt.
Die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung steht derart mit der Stelleinrichtung 16 in Steuerverbindung, dass sich der Bypass 15 in der Durchlassstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert. Wenn sich der Bypass 15 in der Durchlassstellung befindet, ist die Pumpe 10 abgeschaltet. Wenn der Stagnations-Betriebszustand nicht detektiert wird, ist der Bypass 15 gesperrt und die Pumpe 10 ist eingeschaltet.
Beim Verdampfen von im Kollektor 2 befindlichem Wärmeträger wird flüssiger Wärmeträger durch den Kollektoreinlass 3 hindurch aus dem Kollektor 2 in den Bypass 15 und von dort über den Solarvorlauf zu der Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung 17 hin verdrängt. Dabei tritt eine Strömungsumkehr auf, bei welcher der Wärmeträger den Solarrücklauf 9 entgegen der Förderrichtung 12 der Pumpe 10 durchströmt. Dadurch wird der Kollektor 2 entleert und es wird einem weiteren Verdampfen des Wärmeträges entgegengewirkt. Bei den in 1 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen kann der noch im Kollektor 2 befindliche flüssige Wärmeträger beim Verdampfen des Wärmeträgers im Kollektor 2 auch über den Kollektorauslass 4 und den Solarvorlauf 8 zu der Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung 17 hin verdrängt werden.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in einem Abschnitt des Solarvorlaufs 8, der sich vom Kollektorauslass 4 in Förderrichtung 12 der Pumpe 10 bis zum Bypass 15 erstreckt, eine in eine Offen- und eine Schließstellung verstellbare erste Absperreinrichtung 18 angeordnet. Die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung steht derart mit der ersten Absperreinrichtung 18 in Steuerverbindung, dass sich diese in der Schließstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert. Wenn der Stagnations-Betriebszustand nicht detektiert wird, ist die erste Absperreinrichtung 18 zum Umwälzen des Wärmeträgers im Solarkreislauf geöffnet.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Stelleinrichtung 16 im Solarvorlauf ein 3/2-Wegeventil auf, das einen mit dem Bypass 15 verbundenen ersten Fluidanschluss, einen mit dem Kollektorauslass 4 verbundenen zweiten Fluidanschluss und einen mit der Einlassöffnung 6 des Wärmeabnehmers 5 verbundenen dritten Fluidanschluss aufweist. Das 3/2-Wegeventil in eine erste Ventilstellung bringbar, in welcher der dritte Fluidanschluss über einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten, in dem 3/2-Wegeventil vorgesehenen Fluidkanal mit dem zweiten Fluidanschluss verbunden ist. In dieser Ventilstellung ist der zweite Fluidanschluss gesperrt. Das 3/2-Wegeventil ist ferner in eine zweite Ventilstellung bringbar ist, in welcher der dritte Fluidanschluss mit dem ersten Fluidanschluss verbunden und gegen den zweiten Fluidanschluss gesperrt ist.
Die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung steht derart mit dem 3/2-Wegeventil in Steuerverbindung, dass sich dieses in der zweiten Ventilstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert. Wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand nicht detektiert, ist das 3/2-Wegeventil in der ersten Ventilstellung angeordnet.
Wie in 4 erkennbar ist, kann im Bypass 15 auch ein Kondensationsgefäß 19 angeordnet sein. Dabei ist eine Eintrittsöffnung 21 des Kondensationsgefäßes 19 mit einer ersten Verzweigungsstelle verbunden, die in einem Abschnitt des Solarrücklaufs 9 angeordnet ist, der sich vom Rückflussverhinderer 11 in in Förderrichtung 12 der Pumpe 10 bis zum Kollektoreinlass 3 erstreckt. Eine Austrittsöffnung 22 des Kondensationsgefäßes 19 ist mit dem ersten Fluidanschluss der Stelleinrichtung 16 verbunden. Im Übrigen entspricht das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel dem in 3.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in einem Abschnitt des Solarvorlaufs 8, der sich vom Bypass 15 in Förderrichtung 12 der Pumpe 10 bis zur Einlassöffnung 6 des Wärmeabnehmers 5 erstreckt, eine in eine Offen- und eine Schließstellung verstellbare zweite Absperreinrichtung 20 angeordnet ist. Die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung steht derart mit der zweiten Absperreinrichtung 20 in Steuerverbindung steht, dass sich diese in der Schließstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert. Wenn der Stagnations-Betriebszustand nicht detektiert wird, ist die zweite Absperreinrichtung 20 zum Umwälzen des Wärmeträgers im Solarkreislauf geöffnet. Im Übrigen entspricht der Solarkreislauf des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels dem von 1.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung über ein Kondensationsgefäß 19 mit dem Solarkreislauf verbunden ist. Das Kondensationsgefäß 19 hat an seiner Unterseite eine Eintrittsöffnung 21, die über eine erste Verbindungsleitung mit einer Verzweigungsstelle verbunden, die in einem Abschnitt des Solarvorlaufs 8 angeordnet ist, der sich vom Kollektorauslass 4 in Förderrichtung 12 der Pumpe 10 bis zum Bypass 15 erstreckt. Eine an der Oberseite des Kondensationsgefäßes 19 befindliche Austrittsöffnung 22 ist über eine zweite Verbindungsleitung mit der Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung 17 verbunden.
In dem Kondensationsgefäß 19 ist ein Wärmeträgervorrat angeordnet, der sich beim normalen Betrieb der Solaranlage etwa auf Umgebungstemperatur befindet, da er nicht im Solarkreislauf angeordnet ist. Der Wärmeträgervorrat dient dazu, Dampf und/oder heißen Wärmeträger, der beim Verdampfen des Wärmeträgers im Kollektor 2 aus diesem in das Kondensationsgefäß 19 gelangt, abzukühlen.
Die Umkehrung der Fließrichtung wird bewirkt, indem die Ausdehnungsvorrichtung in Fließrichtung des Solarvorlaufs angeordnet ist und ein öffnendes Bypassventil 16 den Weg vom Solarrücklauf zur Ausdehnungsvorrichtung am Kollektorfeld vorbei gewährt oder ein Umlenkventil 11 dabei zusätzlich noch den direkten Weg vom Solarvorlauf zur Ausdehnungsvorrichtung sperrt. Dabei bewirkt ein Rückflussverhinderer 11, dass die Solarpumpe 10 und weitere Aggregate im Solarrücklauf von dem Siedeprozess ferngehalten werden. Das Bypassventil 11 ist am wirksamsten, aber nur sinnvoll, wenn sich die Kollektoren einige Meter über dem Ventil befinden. Dann entleert sich das Kollektorfeld in beide Richtungen, aufgrund des großen Dichteunterschiedes zwischen Dampf und Flüssigkeit entsteht aber ein Druckunterschied, der das Wasser viel intensiver über den Solarrücklauf befördert, als Dampf bzw. Dampf-/Wassergemisch über den Solarvorlauf. Das Umlenkventil 11 oder alternativ zwei synchron schaltende 2-Wege-Ventile, von denen eines den Bypass öffnet und das andere den Solarvorlauf sperrt, sind universell einsetzbar und notwendig, wenn zwischen den Kollektoren und dem Ventil ein zu geringer Höhenunterschied besteht, wie es z. B. bei Kollektorfeldern zu ebener Erde der Fall ist, weil es sonst ohne Sperrung des Solarvorlaufs zu Dampfschlägen käme.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschleunigung und Beruhigung des Prozesses der Flüssigkeitsverdampfung im Kollektorfeld 2 einer flüssigkeitsführenden thermischen Solaranlage, bei der beim Verdampfen des Kollektorinhaltes mittels geeigneter Aggregate wie ein 2-Wege-Ventil 11 oder ein Umschaltventil 11 eine völlige oder teilweise Umkehr der Strömungsrichtung erfolgt, damit sich möglichst wenig Dampf bildet, weil der sich bildende Dampf möglichst schnell möglichst viel Wasser aus dem Kollektorfeld verdrängt.
Bei der Flüssigkeit in der Solaranlage kann es sich um Wasser handeln, das direkt durch den Speicher fließt (1-Kreis-System).
Die Kollektorflüssigkeit kann über einen Wärmeaustauscher von der Speicherflüssigkeit getrennt sein (2-Kreis-System).
Die Solaranlage kann eine solarthermische Großanlage mit mindestens 100 m² Kollektor-Bruttofläche sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3021422 A1 [0003]
DE 202006016098 U1 [0009]
DE 2722451 A1 [0010]
DE 202012011344 U1 [0026]

Claims

Solaranlage (1), die einen thermischen Kollektor (2) mit einem Kollektoreinlass (3) und einem Kollektorauslass (4) für einen flüssigen Wärmeträger sowie einen Wärmeabnehmer (5) mit einer Einlassöffnung (6) und einer Auslassöffnung (7) für den Wärmeträger hat, wobei der Kollektorauslass (4) zur Bildung eines Solarkreislaufs über einen Solarvorlauf (8) mit der Einlassöffnung (6) und die Auslassöffnung (7) über einen Solarrücklauf (9) mit dem Kollektoreinlass (3) verbunden sind, und wobei im Solarrücklauf (9) eine Pumpe (10) zum Umwälzen des Wärmeträgers angeordnet ist, und wobei die Solaranlage (1) eine Betriebszustands-Erfassungseinrichtung aufweist, mittels der ein Stagnations-Betriebszustand der Solaranlage (1) detektierbar ist, bei dem der Wärmeträger im Kollektor (2) verdampft und/oder die Gefahr eines Verdampfens des Wärmeträgers (2) gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarrücklauf (9) über einen Bypass (15) mit dem Solarvorlauf (8) verbunden ist, dass für den Bypass (15) eine Stelleinrichtung (16) vorgesehen ist, mittels welcher der Bypass (15) zwischen einer Durchlass- und einer Sperrstellung verstellbar ist, dass die Pumpe (10) in einem Abschnitt des Solarrücklaufs (9) angeordnet ist, der sich von der Auslassöffnung (7) in Förderrichtung der Pumpe (10) bis zum Bypass (15) erstreckt, dass im Solarkreislauf ein Rückflussverhinderer (11) für die Pumpe (10) vorgesehen, dass die Solaranlage (1) eine Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung (17) für den Wärmeträger umfasst, dass die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung derart mit der Stelleinrichtung (16) in Steuerverbindung steht, dass sich der Bypass (15) in der Durchlassstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert, und dass die Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung (17) derart mit dem Solarkreislauf verbunden ist, dass beim Verdampfen von im Kollektor (2) befindlichem Wärmeträger flüssiger Wärmeträger aus dem Kollektor (2) über den Bypass (15) zu der Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung (17) hin verdrängt wird.
Solaranlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung (17) in einem Abschnitt des Solarvorlaufs (8) angeordnet ist, der sich vom Kollektorauslass (4) in Förderrichtung (12) der Pumpe (10) bis zur Einlassöffnung (6) des Wärmeabnehmers (5) erstreckt.
Solaranlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungs- und Druckhalteeinrichtung (17) über ein Kondensationsgefäß (19) mit dem Solarkreislauf verbunden ist.
Solaranlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kondensationsgefäß (19) ein Wärmeträgervorrat angeordnet ist, und dass das Kondensationsgefäß (19) unterhalb des Wärmeträgervorrats eine mit dem Solarkreislauf verbundene Eintrittsöffnung (22) aufweist.
Solaranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschnitt des Solarvorlaufs (8), der sich vom Kollektorauslass (4) in Förderrichtung (12) der Pumpe (10) bis zum Bypass (15) erstreckt, eine in eine Offen- und eine Schließstellung verstellbare erste Absperreinrichtung (18) angeordnet ist, und dass die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung derart mit der ersten Absperreinrichtung (18) in Steuerverbindung steht, dass sich diese in der Schließstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert.
Solaranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschnitt des Solarvorlaufs (8), der sich vom Bypass (15) in Förderrichtung (12) der Pumpe (15) bis zur Einlassöffnung (6) des Wärmeabnehmers (5) erstreckt, eine in eine Offen- und eine Schließstellung verstellbare zweite Absperreinrichtung (20) angeordnet ist, und dass die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung derart mit der zweiten Absperreinrichtung (20) in Steuerverbindung steht, dass sich diese in der Schließstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert.
Solaranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (16) im Bypass (15) ein 2/2-Wegeventil aufweist.
Solaranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (16) im Solarvorlauf (8) ein 3/2-Wegeventil aufweist, das einen mit dem Bypass (15) verbundenen ersten Fluidanschluss, einen mit dem Kollektorauslass (4) verbundenen zweiten Fluidanschluss und einen mit der Einlassöffnung (6) des Wärmeabnehmers (5) verbundenen dritten Fluidanschluss aufweist, dass 3/2-Wegeventil in eine erste Ventilstellung bringbar ist, in welcher der dritte Fluidanschluss nur mit dem zweiten Fluidanschluss verbunden ist, dass 3/2-Wegeventil in eine zweite Ventilstellung bringbar ist, in welcher der dritte Fluidanschluss nur mit dem ersten Fluidanschluss verbunden ist, und dass die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung derart mit dem 3/2-Wegeventil in Steuerverbindung steht, dass sich dieses in der zweiten Ventilstellung befindet, wenn die Erfassungseinrichtung den Stagnations-Betriebszustand detektiert.
Solaranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustands-Erfassungseinrichtung mindestens einen Temperatursensor (14A, 14B, 14C) aufweist.
Solaranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflussverhinderer (11) in einem Abschnitt des Solarrücklaufs (9) angeordnet ist, der sich in Förderrichtung (12) der Pumpe (10) von dieser bis zum Bypass (15) erstreckt.
Solaranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wärmeträgermedium um Wasser handelt.
Solaranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (2) ein Kollektorfeld umfasst, das aus mindestens zwei Einzelkollektoren zusammengesetzt ist.
Solaranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (2) mindestens einen Vakuumröhrenkollektor aufweist.