DE102015001603A1

DE102015001603A1 - Solarkollektor mit Wärmerückführung

Info

Publication number: DE102015001603A1
Application number: DE102015001603.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-02-07
Filing date: 2015-02-07
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Ein solarer Flachkollektor wird mit einem Fluid, vorzugsweise einem Öl betrieben, das aus einer Schicht unterhalb der Deckscheibe durch eine transparente Schicht von Glasfasern oder einem körnigen Material sowie einen für Flüssigkeit durchlässigen Absorber strömt. Der Kollektor ist vorteilhaft mit einer Wärmerückführung ausgestattet, bei der die aus dem Raum unterhalb des Absorbers entnommene Flüssigkeit durch eine Schicht von Glasröhren zwischen Absorber und Deckscheibe hindurchgeleitet wird. Der Kollektor kann außerdem mit einer Vorrichtung zum Pumpen von Wärme mit Hilfe einer Strahlpumpe verbunden sein, mit deren Hilfe Wärme aus der Umgebung aufgenommen oder Meerwasser entsalzt werden kann.

Description

Flache Solarkollektoren sind in ihrem Wirkungsgrad hauptsächlich durch den Wärmeverlust an der Deckscheibe begrenzt.
Mit steigender Temperatur des Absorbers steigt auch die Wärmeabgabe durch Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung in Richtung zur Deckscheibe.
Um diese Wärmeverluste zu verringern sind verschiedene transparente Dämmmaterialien entwickelt worden, wie z. B. die Honeycomb Wärmedämmung, die die genannten Wärmeverluste verringern.
Es existieren auch bereits Vorrichtungen, in denen die am Absorber erzeugte Wärme durch einen Strom eines Fluids im Gegenstrom zur sich ausbreitenden Wärme aufgenommen wird.
Unter den bereits existierenden Vorrichtungen, die dieses Ziel zu erreichen versuchen, gibt es z. B. Konstruktionen nach der Art von 5b.
In diesen Vorrichtungen strömt Luft aus einem Raum unter der Deckscheibe (36) durch eine transparente Wärmedämmung (37), die z. B. aus nebeneinander liegenden Glasstäben oder Glasröhren bestehen kann, und danach durch einen porösen oder perforierten Absorber (38). Anschließend wird die Luft aus dem Raum unter dem Absorber mit Hilfe einer Pumpe (41) wieder in den Raum unter der Deckscheibe (36) zurückbefördert. Die im Kollektor gesammelte Wärme wird über einen Wärmetauscher (40) entnommen.
Nach 5a kann die genannte Vorrichtung in der Weise verändert werden, dass anstelle von Luft eine Flüssigkeit, z. B. Wasser oder Öl, verwendet wird.
Das hat den Vorteil, dass die Wärmestrahlung, die von dem Absorber ausgeht, von der Flüssigkeit absorbiert wird und nicht direkt nach außen abgestrahlt werden kann. Bei der Verwendung von Öl als Flüssigkeit wirkt sich außerdem die geringe Wärmeleitfähigkeit von etwa 1,4 W/mK sehr günstig aus.
Die Flüssigkeit wird durch eine Schicht eines transparenten Materials (31, 37) geleitet, das eine strömungshemmende Eigenschaft besitzt. Diese Schicht kann z. B. aus nebeneinander liegenden Glasstäben oder Glasröhren (37) oder aus einer Matte aus faserigem Material (31) wie z. B. Glasfasern bestehen.
Vorteilhaft hat das transparente Material etwa die gleiche Lichtbrechung wie die Flüssigkeit, sodass das transparente Material in der Flüssigkeit praktisch unsichtbar wird.
Nachdem die Flüssigkeit durch das transparente Material hindurchgeströmt ist, fließt sie durch einen porösen oder perforierten Absorber (33), z. B. in Gestalt einer schwarz eingefärbten Glasfasermatte und gelangt in den Raum unterhalb des Absorbers. Dieser Raum verengt sich vorteilhaft in der Gegenrichtung zur Ausflussöffnung immer mehr und/oder es sind Strömungswiderstände in diesem Raum angebracht wie z. B. Glasfasern von geeigneter Dichte.
Damit wird bewirkt, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die aus dem Raum unterhalb des Absorbers abgesogen wird, in Richtung der Ausflussöffnung immer größer wird und die in Richtung der Ausflussöffnung ansteigende Temperatur des Absorbers und damit eine steigende Wärmeabgabe in Richtung der Deckscheibe kompensiert wird.
Die Flüssigkeit wird mit Hilfe einer Pumpe (35) umgepumpt.
Die im Kollektor gesammelte Wärme wird über einen Wärmetauscher (34) entnommen.
Je nach der Stärke der einfallenden Sonnenstrahlung erreicht die Temperatur am Absorber (32) einen Grenzwert, der einmal durch die Wärmeleitung durch die Flüssigkeit bestimmt wird und zum anderen durch die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit im Gegenstrom zur sich ausbreitenden Wärme durch die Glasfasermatte bewegt wird.
Die in den Kollektor einfallende Sonnenstrahlung wird auf diese Weise fast vollständig in nutzbare Wärme umgewandelt. Die erreichbaren Temperaturen sind nicht besonders hoch, weil durch die möglichst dünne Schicht der mit Flüssigkeit getränkten transparenten Wärmedämmung noch recht viel Wärme vom Absorber in Richtung der Deckscheibe transportiert wird und demzufolge die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit relativ hoch ist.
Die vorliegende Erfindung bietet über die genannten Vorrichtungen hinaus eine weiter entwickelte Vorrichtung, mit der wesentlich höhere Temperaturen zu erzielen sind.
In dieser weiter entwickelten Vorrichtung wird die nach 1 und 3 am Absorber erzeugte Wärme zum Teil zur Vorwärmung der Flüssigkeit verwendet, die aus dem Raum unter der Deckscheibe in Richtung zum Absorber strömt.
Zu diesem Zweck wird das aus dem Raum hinter dem Absorber abgeführte Fluid durch eine Schicht von dicht nebeneinander liegenden Glasröhren (4, 10) nach der Art von 2 geleitet, die in einigem Abstand vom Absorber angebracht sind.
Als Fluid wird vorteilhaft ein Öl verwendet, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit von ca. 1,4 W/mK besitzt. Das wird im Folgenden vorausgesetzt.
Das Öl strömt aus einem Raum unterhalb der Deckscheibe durch eine erste Glasfasermatte hindurch, die über der Schicht von Glasröhren liegt, dann zwischen den Glasröhren hindurch und durch eine zweite Schicht einer Glasfasermatte und durch eine als Absorber dienende Schicht von schwarz eingefärbten Glasfasern.
Die Glasfasermatte unterhalb der Schicht von Glasröhren ist vorteilhaft dünner als die Glasfasermatte oberhalb der Glasröhren, weil die Temperaturdifferenz zwischen den Glasröhren und dem Absorber in der Regel kleiner ist als die Temperaturdifferenz zur Deckscheibe.
Das Öl, das in einer dünnen Schicht unter der Deckscheibe zugeführt wird, nimmt beim Durchströmen der Glasfasermatten und dem Umströmen der Glasröhren die Wärme auf, die von dem durch die Glasröhren hindurchströmenden Öl abgegeben wird.
Am anderen Ende der Glasröhren (4, 10) hat das durch dieselben hindurch strömende Öl fast seine ganze Wärme an das um die Glasröhren herumströmende Öl abgegeben. Der Wärmetauschprozess ist umso besser je länger die Glasröhren sind und je langsamer die Flüssigkeit strömt.
Das Öl wird vorteilhaft von dem Ende, aus dem es aus den Glasröhren austritt, zum gegenüber liegenden Ende des Kollektors geleitet. Dabei nimmt es den Teil der in den Glasröhren nicht mehr tauschbaren Wärme mit.
Das Öl strömt in den Raum unter der Deckscheibe (2) zurück und gibt einen Teil seiner mitgeführten Wärme kontinuierlich über die Deckscheibe an die Umgebung ab.
Ein anderer Teil der mitgeführten Wärme wird durch das von neuem zwischen den Glasröhren hindurchströmende Öl in Richtung zum Absorber transportiert und bleibt dem nächsten Kreislauf des Öls erhalten.
Bei jedem neuen Kreislauf des Öls und bei entsprechender Sonneneinstrahlung steigt die Temperatur des Öls immer mehr an. Mit dem Anstieg der Temperatur des durch den Kollektor hindurch strömenden Öls muss auch die Durchflussgeschwindigkeit immer weiter gesteigert werden. Damit steigen auch die unvermeidlichen Verluste beim Prozess des Wärmetauschens.
Der Wirkungsgrad des Kollektors wird letztlich durch diese Verluste und weitere Verluste an der Isolation (7) bestimmt.
Das Öl wird während des Betriebs mit Hilfe einer Pumpe (1) ständig umgepumpt.
Ein Teil der im Kollektor erzeugten Wärme wird dem Öl in einem Wärmetauscher (9) als Nutzwärme entnommen.
Die im Kollektor gesammelte Wärme hat ein Temperaturgefälle von der Entnahme des erhitzten Öls auf der einen Seite und der Zuführung des Öls auf der anderen Seite.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Öls durch die Glasfasermatte und den Absorber wird vorteilhaft diesem Unterschied angepasst, sodass am wenig warmen Ende weniger Öl durch die Glasfasermatte und durch den Absorber strömt und am anderen Ende die erzielte höhere Temperatur von einem größeren Strom an Öl aufgenommen wird.
Diesem Zweck dienen Strömungshindernisse in dem Raum unter dem Absorber, wie sie schon unter 5a genannt wurden und die z. B. durch eine Verengung des Raumes in Richtung zum kalten Ende und aus einer Füllung mit Glasfasern (8) von geeigneter Dichte bestehen. Damit wird eine immer langsamere Strömung in Richtung auf das wenig warme Ende bewirkt.
Da mit dem erfindungsgemäßen Kollektor recht hohe Temperaturen erreicht werden können, kann eine Wärmekraftmaschine mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden.
Außerdem ist es möglich, eine Wärmepumpe nach 3 zu betreiben.
Mit der im Kollektor erzeugten Wärme wird hier über einen Wärmetauscher (23) eine Flüssigkeit, z. B. Wasser oder eine leichter siedende Flüssigkeit, verdampft und mit dem Dampf eine Strahlpumpe (22) angetrieben.
Die Strahlpumpe (22) saugt Dampf aus einem Verdampfer (14) an. Dadurch fällt die Temperatur der im Verdampfer befindlichen Flüssigkeit (15) auf Werte unter der Umgebungstemperatur.
Die Verdampfungswärme wird dem Öl entnommen, das unter dem Verdampfer (14) hindurchgeleitet wird und das aus den Glasröhren (13) des Kollektors abgeführt wurde.
Das Öl strömt aus dem Gefäß unter dem Verdampfer in den Raum unter der Deckscheibe (12) zurück und nimmt über die Deckscheibe Wärme aus der Umgebung auf.
In der Strahlpumpe wird nicht die gesamte Wärmeenergie des Treibdampfes in Bewegungsenergie umgesetzt. Die beträchtliche Restwärme des aus der Strahlpumpe in ein Wärmetauscher-Gefäß (21) austretenden Dampfgemischs wird durch ein Wärmetauscher-Rohr (20) der Flüssigkeit zugeführt, die mit Hilfe einer Pumpe (19) vom Boden des Wärmetauscher-Gefäßes abgepumpt wird.
Somit wird die zu verdampfende Flüssigkeit vorgewärmt, die in dem Wärmetauscher (24), der mit dem Kollektorkreislauf verbunden ist, Wärme aus dem Kollektorkreislauf aufnimmt, um schließlich die Strahlpumpe (22) anzutreiben.
Mit Hilfe eines steuerbaren Drosselventils (23) kann die Wärmeaufnahme aus dem Kollektor geregelt werden.
Die aus der Anlage abzuführende Nutzwärme wird durch einen Wärmetauscher (18) am unteren Ende des Wärmetauscher-Gefäßes (21) entnommen.
Dadurch dass in dieser Anlage die höherwertige Wärme, die im Kollektor erzeugt wird, zum Pumpen von Wärme dient, kann der Kollektor sehr viel mehr an Niedertemperaturwärme erzeugen als mit einer einfachen Erwärmung in einem üblichen Flachkollektor möglich wäre.
Eine weitere Möglichkeit, mit Hilfe einer Strahlpumpe Wärme zu pumpen, besteht in einer Anlage nach 4, mit der Meerwasser entsalzt werden kann.
Das Meerwasser wird in einen Verdampfer (25) geleitet, der auf einer Temperatur von etwa 100°C und damit auf dem Luftdruck der Umgebung gehalten wird. Die Temperatur kann mit Hilfe eines steuerbaren Drosselventils (29) geregelt werden. Bei einer Temperatur von etwa 100°C hat der Dampf eine sehr viel größere Dichte als z. B. bei Umgebungstemperatur, sodass die Rohrleitungen und Gefäße sehr viel kleiner sein können als in einer Anlage, die mit niedrigerem Dampfdruck arbeitet. Das Meerwasser strömt in einen Verdampfer (25) ein und wird dort nur zum Teil verdampft. Die mit Salz angereicherte Sole strömt aus dem Verdampfer (25) über einen Wärmetauscher (26) ins Meer zurück. Beim Zurückströmen gibt es seine Wärme an das zuströmende Meerwasser ab und heizt dasselbe vor.
Die Strahlpumpe saugt Dampf aus dem Verdampfer ab und verdichtet ihn in gerade ausreichendem Maße um in einem mit dem Verdampfer (25) verbundenen Kondensator (27) die Kondensationswärme an das zu verdampfende Meerwasser abzugeben.
Die wie bei jedem thermodynamischen Prozess abzuführende Wärme wird über das ins Meer zurückgeleitete Meerwasser abgegeben.
Die übrigen Teile der Vorrichtung sind wie bei 1 bis 3 beschrieben.
Da die Verdichtung nur gering ist, können große Mengen von Dampf gepumpt und eine entsprechend große Menge an entsalztem Wasser erzeugt werden.

Claims

Solarkollektor in Flachbauweise, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit wie z. B. Wasser oder Öl mit Hilfe einer Pumpe aus einem Raum unter der Deckscheibe durch transparentes Material wie z. B. Glasfasern oder eine Schicht von Glasröhren hindurch und weiter durch einen porösen oder perforierten Absorber geleitet wird, um danach wieder in den Raum unter der Deckscheibe zurückgeleitet zu werden, dass der Raum unterhalb des Absorbers mit geeigneten Strömungshindernissen wie z. B. faseriges oder körniges Material ausgefüllt ist und/oder dass der Raum unterhalb des Absorbers mit fortschreitender Entfernung von der Ausflussöffnung flacher wird, um dem hindurchströmenden Fluid einen gewissen Strömungswiderstand entgegenzusetzen, dass die Rückführung der Flüssigkeit aus dem Raum unterhalb des Absorbers und die Zuführung in den Raum unter der Deckscheibe am gleichen Ende des Kollektors liegen, dass die Flüssigkeit über einen Wärmetauscher Nutzwärme abgibt.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Raum unterhalb des Absorbers abgeführte Flüssigkeit durch eine Schicht von Glasröhren geleitet wird, die in einem gewissen Abstand oberhalb vom Absorber angebracht ist, dass die Abführung der Flüssigkeit aus dem Raum unterhalb des Absorbers und die Zuführung der Flüssigkeit in die Glasröhren am selben Ende des Kollektors liegen, dass die Abführung der Flüssigkeit an dem in Bezug zur Zuführung der Flüssigkeit entgegengesetzten Ende der Glasröhren und die Zuführung in den Raum unter der Deckscheibe am entgegengesetzten Ende des Kollektors liegen, dass im Raum oberhalb und unterhalb der Glasröhren eine Schicht von transparentem Material wie z. B. Glasfasern oder ein körniges Material ausgebreitet ist, und dass dieses Material möglichst die gleiche optische Dichte hat wie das Fluid, das durch das faserige oder körnige Material hindurchströmt.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1.–2., dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Kollektor entnommene Wärme eine Flüssigkeit verdampft, deren Dampf eine Strahlpumpe antreibt, dass mit Hilfe der Strahlpumpe Dampf aus einem Verdampfer abgesaugt wird, dass die Verdampfungswärme der aus den Glasröhren des Kollektors abströmenden Flüssigkeit und/oder aus der Umgebung entnommen wird und dass zu diesem Zweck auch Wärme über die Deckscheibe des Kollektors aufgenommen werden kann, dass die in der Strahlpumpe nicht in Strömungsenergie umgesetzte Wärme durch einen an die Strahlpumpe angeschlossenen Wärmetauscher aufgenommen wird und dem Prozess erhalten bleibt.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 3., dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe Wasserdampf aus Meerwasser absaugt, dass die Temperatur des Verdampfers auf einer Höhe von etwa 100°C gehalten wird, dass die Temperatur mit Hilfe eines Drosselventils geregelt werden kann, das die Treibdampfzufuhr der Strahlpumpe regelt, dass das Meerwasser sich im Verdampfer mit Salz anreichert und nach einer gewissen Anreicherung über einen Wärmetauscher ins Meer zurückgeleitet wird, wobei es seine Wärme an das zuströmende Meerwasser abgibt.