DE19518872A1 - Thermische Solaranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische So­ laranlage, in der Sonnenlicht absorbiert und die aufgenommene Strahlungsenergie die Temperatur einer die Anlage durchströmenden Flüssigkeit erhöht.

Neben Solarzellen, die eine unmittelbare Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie ermöglichen, aber nur einen geringen Wirkungsgrad aufweisen, werden zur Nutzung der Sonnenenergie in großem Um­ fang thermische Solaranlagen eingesetzt, bei denen eine Flüssigkeit oder ein Gas erwärmt wird. Sie sind zum Zweck der Strahlungsabsorption mit Platten versehen, die vorzugsweise senkrecht zur Einfalls­ richtung des Lichtes ausgerichtet werden und aus einem Material bestehen, das in einem weiten Wel­ lenlängenbereich um das Emissionsmaximum der Sonne herum einen hohen Absorptionskoeffizienten sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Diese Anfor­ derungen werden insbesondere von Metallplatten mit einer geschwärzten Oberfläche in geeigneter Weise erfüllt. Die Abführung der aufgenommenen Wärme zum Verwendungsort erfolgt durch auf oder in den Plat­ ten angeordnete Röhren bzw. Kanäle, die von einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchflossen sind, das von einer Pumpe umgewälzt wird. Aufgrund des geringen Preises und seiner hohen spezifischen Wärmekapazität wird dazu meist Wasser verwendet, das vielfach mit Stoffen zum Korrosions- oder Frostschutzes versetzt ist. In aller Regel findet die Umwälzung des Transportmediums in geschlossenem Kreislauf und die Abgabe der Wärme über einen Wär­ metauscher statt.

Im Stande der Technik erfolgt der Wärmetransport von der erhitzten Plattenoberfläche in das Trans­ portmedium konduktiv und ist stets mit Verlusten behaftet, wozu sowohl die Wärmeabstrahlung an die Umgebung als auch eine Ableitung der Wärme über Be­ festigungen oder Auflagen der Platten beitragen. Obwohl unterschiedliche Maßnahmen zur Verminderung dieser Verluste ergriffen werden, etwa eine rück­ seitige Isolierung der Platten oder eine frontsei­ tige Abdeckung durch eine Glasscheibe, beeinträch­ tigen sie den Gesamtwirkungsgrad der Anlage erheb­ lich.

Davon ausgehend hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, eine thermische Solaranlage zu entwic­ keln, bei der die Strahlungsabsorption durch das Transportmedium erfolgt, so daß sich der Wirkungs­ grad der Anlage deutlich erhöhen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flüssigkeit das Innere eines doppelwandigen Behälters durchfließt, der mit einem Einlaß und ei­ nem Auslaß versehen ist, der Wandzwischenraum eva­ kuiert ist, die Wände des Behälters aus einem im Sichtbaren und im Infrarotbereich durchsichtigen Material bestehen und die Flüssigkeit in diesen Wellenlängenbereichen eine hohe Absorption auf­ weist.

Der zentrale Gedanke der Erfindung besteht darin, daß die Strahlungsenergie unmittelbar von der zum Wärmetransport eingesetzten Flüssigkeit aufgenommen wird, die zu diesem Zweck im Sichtbaren und im na­ hen Infrarotbereich, in dem die Sonne den größten Teil ihrer Energie abstrahlt, eine hohe Absorption aufweist, d. h. einem Betrachter schwarz erscheint. Der Wirkungsgrad der Anlage ist umso größer, je hö­ her das Absorptionsvermögen der Flüssigkeit in dem relevanten Frequenzbereich ist. Entsprechend ist eine Verwendung von die Sonnenstrahlung absorbie­ renden Flächen nicht notwendig. Um zu verhindern, daß die Strahlungsenergie bereits von der die Flüs­ sigkeit umgebenden Wandung des Behälters aufgenom­ men und teilweise an die Umgebung abgestrahlt wird, besteht dieser aus einem Material, das im Sichtba­ ren und im Infrarotbereich transparent ist, z. B. Glas oder einem durchsichtigen Kunststoff. Dabei verbessert eine hohe Transparenz im nahen Infrarot­ bereich den Wirkungsgrad der Anlage erheblich, wäh­ rend sie im fernen Infrarot von geringerer Bedeu­ tung ist, da in diesem Bereich ein geringerer Teil der Sonnenabstrahlung erfolgt. Zudem strahlt das erhitzte Medium seinerseits Energie im fernen In­ frarotbereich ab, so daß ein für diese Wellenlängen undurchsichtiger Behälter als Strahlungsschild wirkt und somit eine Isolation der erwärmten Flüs­ sigkeit darstellt.

Eine weitere Verminderung von Wärmeverlusten aus der erhitzten Flüssigkeit läßt sich erreichen, in­ dem diese im Inneren eines doppelwandigen Behälters strömt, dessen Wandzwischenraum evakuiert ist. Eine Wärmeableitung aus der erhitzten Flüssigkeit in die Umgebung wird auf diese Weise nahezu vollständig unterbunden. Der Innendurchmesser des Behälters entspricht zweckmäßig etwa der Eindringtiefe des Sonnenlichtes in die Flüssigkeit, so daß eine voll­ ständige Absorption der Strahlung erreichbar ist, ohne das Behältervolumen unnötig zu vergrößern. Ein Ein- und ein Auslaß des Behälters dienen der Umwäl­ zung der Flüssigkeit zum gewünschten Verwendungs­ ort, wobei es durchaus möglich ist, mehrere Behäl­ ter parallel zueinander oder hintereinander anzu­ ordnen, um die bestrahlte Fläche zu erhöhen. Mit dem Ziel, die Strömungsgeschwindigkeit und die Lei­ stung einer Umwälzpumpe gering zu halten, ist eine Flüssigkeit bevorzugt, die eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist.

Die erfindungsgemäße Solaranlage zeichnet sich durch einen gegenüber herkömmlichen Ausführungsfor­ men wesentlich erhöhten Wirkungsgrad aus, da die Energie der Sonne unmittelbar vom zum Wärmetrans­ port dienenden Medium aufgenommen wird. Entspre­ chend entfallen die mit einer Wärmeleitung von ei­ nem Absorber in das Medium unweigerlich verbundenen Verluste. Weiterhin wird die Energieausbeute durch den evakuierten Wandzwischenraum des Behälters ge­ steigert, der eine Wärmeableitung in die Umgebung verhindert. Eine entsprechende Isolierung ist mit herkömmlichen thermischen Solaranlagen nicht er­ reichbar, da bei ihnen stets die Notwendigkeit ei­ nes thermischen Kontaktes zwischen Medium und Ab­ sorber erforderlich ist. Somit läßt sich mit der vorgeschlagenen Anlage eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades und damit ihrer Wirtschaftlich­ keit erzielen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die absorbierende Flüssigkeit ganz oder teilweise aus Silikonöl, mit dem sich die Anforde­ rungen an die Absorptionseigenschaften und die Wär­ mekapazität des Transportmediums in vorteilhafter Weise erfüllen lassen. Darüber hinaus weisen Sili­ konöle eine hervorragende Langzeitbeständigkeit auf, zeichnen sich auch bei hoher Temperatur durch eine geringe Verdampfungsrate aus und ändern ihre Eigenschaften sich in einem weiten Temperaturbe­ reich nur unwesentlich. Das chemisch neutrale Ver­ halten gestattet auch den Einsatz empfindlicher Werkstoffe in der Solaranlage.

Insbesondere bei Einsatz einer sehr hochwertigen und teuren Flüssigkeit zu Wärmetransport und Ab­ sorption ist eine Minimierung des benötigten Eigen­ volumens von Vorteil, so daß sich die Investitions­ kosten für die Errichtung der Anlage verringern. Daher bietet es sich an, dem Behälterauslaß in ge­ ringem Abstand einen Wärmetauscher nachzuordnen und das Medium in einem kurzen, geschlossenen Kreislauf umzuwälzen. Der Wärmetransport zum Verwendungsort erfolgt in diesem Fall durch einen im Wärmetauscher erhitzten Sekundärkreislauf oder, beispielsweise im Fall der Bereitung von warmen Wasser, durch einen mit dem Wärmetauscher erhitzten Vorratsbehälter, von dem Stichleitungen zu den Verbrauchern abgehen.

Die Gestalt des Behälters ist entsprechend den üb­ rigen Konstruktionsmerkmalen der Anlage zu wählen. Bevorzugt ist speziell ein Behälter mit rundem Querschnitt, etwa ein Rohr, das gut zur Aufnahme der Kräfte geeignet ist, die der äußere Luftdruck auf den evakuierten Wandzwischenraum ausübt, so daß die Materialdicke der Wandungen und die damit ver­ bundene Restabsorption des Sonnenlichtes minimier­ bar ist. Eine Alternative bietet ein Behälter mit abgeflachtem Querschnitt, der der einfallenden Strahlung eine große Oberfläche darbietet. Zwischen diesen Extremen sind Übergangsformen möglich, wie ein Behälter mit einem ovalen Querschnitt, der sowohl zur Aufnahme der Druckbelastungen geeignet ist, als auch eine große Oberfläche aufweist.

Die von der Anlage umsetzbare Leistung ist der be­ strahlten Oberfläche proportional, so daß sie dem geforderten Energiebedarf anzupassen ist. Da ein Abdecken der gesamten Fläche durch die Behälter aufgrund ihres aufwendigen Aufbaus und der Kosten der eingefüllten Flüssigkeit vergleichsweise teuer wäre, ist die Anlage in einer vorteilhaften Ausge­ staltung der Erfindung mit fokussierenden Elementen versehen, die das einfallende Licht auf den Behäl­ ter bündeln. Zu diesem Zweck sind speziell Hohl­ spiegel oder Linsen geeignet, die sich vergleichs­ weise preiswert herstellen lassen und mit denen auch größere Flächen leicht abzudecken sind. Dar­ über hinaus ist es möglich, die fokussierenden Ele­ mente dem Sonnenlauf nachzuführen, so daß auch bei einem räumlich feststehenden Behälter das Licht stets in optimaler Weise einfällt. Weiterhin be­ steht in diesem Fall nicht die Erfordernis einer Maximierung der Behälteroberfläche, so daß ein sta­ biler Behälter von rundem Querschnitt und kleinem Volumen einsetzbar ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert wird. Die Zeichnung zeigt die prinzipienhafte Darstellung einer erfindungsgemäßen thermischen So­ laranlage.

Zentrales Bauelement der Anlage ist ein Behälter (1), der mit einer Flüssigkeit (2) gefüllt ist, die im Sichtbaren und im Infraroten einen hohen Absorp­ tionskoeffizienten aufweist, so daß sie die ein­ fallende Strahlung (3) gut absorbiert. Um eine Ab­ leitung der durch die Flüssigkeit (2) aufgenommenen Wärmeenergie in die Umgebung zu vermeiden, ist der Behälter (1) doppelwandig ausgeführt, wobei der Zwischenraum (4) der Wände (5) evakuiert ist. Die Wände (5) bestehen aus einem transparenten Mate­ rial, damit ein Eindringen der Strahlung (3) in das Innere des Behälters (1) erfolgen kann. Zur Erhö­ hung der Energieausbeute ist es zweckmäßig, nicht nur direkt einfallende Strahlung (3) zu nutzen, sondern zusätzlich durch einen Spiegel (6) die Strahlung auf den Behälter (1) zu fokussieren, die in seiner Umgebung auftrifft. Zweckmäßig ist der Spiegel (6) mit einer automatischen Verstellein­ richtung (7) ausgestattet, die ihn den Sonnenlauf nachführt.

Die Abführung der aufgenommenen Wärme zu einem Ver­ braucher, beispielsweise einem Heizkörper (8), er­ folgt über einen Wärmetauscher (9), wobei die Flüs­ sigkeit (2) in geschlossenem Kreislauf zwischen Be­ hälter (1) und Wärmetauscher (9) umgewälzt wird. Die erwärmte Flüssigkeit (2) wird dem Behälter (1) über einen Auslaß (10) entnommen, gibt ihre Energie unter Abkühlung im Wärmetauscher (9) an den zu den Verbrauchern führenden Sekundärkreislauf ab, durch­ läuft eine Pumpe (11), die zu ihrer Förderung dient, und wird über einen Einlaß (12) in den Be­ hälter zurückgeführt, in dem sich die Flüssigkeit (2) erneut erwärmt.

Im Ergebnis entsteht auf diese Weise eine Solaran­ lage, die sich durch eine deutlich erhöhte Energie­ ausbeute auszeichnet.

Claims (7)

1. Thermische Solaranlage, in der Sonnenlicht ab­ sorbiert und die aufgenommene Strahlungsenergie die Temperatur einer die Anlage durchströmenden Flüs­ sigkeit erhöht, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Flüssigkeit das Innere eines doppelwandigen Behälters (1) durchfließt, der mit einem Einlaß (12) und einem Auslaß (10) versehen ist,
• - der Wandzwischenraum (4) evakuiert ist,
• - die Wände (5) des Behälters (1) aus einem im Sichtbaren und im Infrarotbereich durchsichtigen Material bestehen
• - und die Flüssigkeit (2) in diesen Wellenlängenbe­ reichen eine hohe Absorption aufweist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (2) ganz oder teilweise aus Si­ likonöl besteht.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flüssigkeit (2) die Anlage in ge­ schlossenem Kreislauf umläuft.

4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Auslaß (10) des Be­ hälters (1) ein Wärmetauscher (9) nachgeordnet ist.

5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) einen runden Querschnitt aufweist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) in Einfalls­ richtung der Strahlung (2) einen geringeren Durch­ messer ausweist als senkrecht dazu.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage mit fokus­ sierenden Elementen versehen ist, die die ein­ fallende Strahlung (2) auf den Behälter (1) bün­ deln.