DE19644695A1 - Sonnenkollektor mit zwangsgesteuertem Kollektorbypass zur Erhöhung des Absorberwirkungsgrades des Kollektors und des Anlagenwirkungsgrades thermischer Solaranlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung stellt eine hydraulische Schaltung mit zwangsgesteuertem Kollektorbypass zur Erhöhung des Absorber- und Anlagenwirkungsgrades thermischer Solaranlagen dar.

Thermische Solarkollektoren wandeln die auf die Absorberfläche wirkende Globalstrahlung in thermische Energie um, welche im Kollektor an ein Übertragungsmedium (Wärmeträgerfluid) abgegeben wird. Mit Hilfe dieses Übertragungsmediums wird die thermische Energie durch Pumpen über einen weiteren Wärmetauscher im Speicher dem Speicher/Verbraucher zugeführt.

Nach dem Stand der Technik werden vier Arten von Wärmetauschern unterschieden:

• 1. Vakuumröhrenkollektoren nach dem heat-pipe-Prinzip
• 2. Vakuumröhrenkollektoren mit direkter Durchströmung
• 3. Flachkollektoren mit direkter, mäanderförmiger Durchströmung
• 4. Flachkollektoren mit direkter, paralleler Durchströmung.

Vakuumröhrenkollektoren nach dem heat-pipe-Prinzip wandeln die Strahlungsenergie über eine Absorberfläche in einer evakuierten Glasröhre um. Hierdurch werden Wärmeverluste an die Umgebungsluft fast vollständig unterbunden.

Die Absorberfläche besteht aus Kupfer und hat eine selektive Beschichtung. Diese Fläche ist mit einem Wärmerohr metallisch leitend flächig verbunden. In diesem Wärmerohr wird die absorbierte Wärme an den Wärmeträger Alkohol übertragen. Der Wärmeträger verdampft und steigt in den Kondensator. Die Wärme wird dort an das Heizmedium im Sammler abgegeben. Der Alkohol kondensiert und fließt im Wärmerohr zurück. Der Kreislauf beginnt erneut.

Vakuumröhrenkollektoren mit direkter Durchströmung werden vom Wärmeträgerfluid in zwei konzentrischen Rohren durchflossen. Diese sind mit der Absorberfläche metallisch leitend flächig verbunden. Die in der evakuierten Glasröhre über diese Absorberfläche umgewandelte Strahlung wird über diese konzentrischen Rohre gleichfalls einem Sammler zugeführt.

Nachteil der Vakuumkollektoren mit direkter Durchströmung im statischen Zustand sind zum einen der nicht lineare Verlauf der Temperatur in den konzentrischen Rohren, zum anderen die nacheilende Temperaturkurve innerhalb des Sammlers.

Durch diese unterschiedliche Verteilung der Temperatur innerhalb des Kollektors wird die Bestimmung der mittleren Kollektortemperatur verzerrt.

Insbesondere neuartige Regelungen können deshalb Ihre Leistungsfähigkeit nicht einsetzen, weil die als Schaltbedingung erforderliche mittlere Kollektortemperatur streut. Zudem wird der Wirkungsgrad des Kollektors durch Absorbertemperaturen, die über der mittleren Kollektortemperatur liegen, verschlechtert.

Flachkollektoren mit direkter, mäanderförmiger Durchströmung führen das Wärmeträgerfluid in Röhren mäanderförmig durch den Kollektor, die mit der Absorberfläche metallisch leitend verbunden sind. Die von der Absorberfläche aufgenommene Strahlung wird gleichfalls einem Sammler im Kollektor zugeführt.

Im statischen Zustand ist der Nachteil der Flachkollektoren mit direkter, mäanderförmiger Durchströmung die, gegenüber dem Vakuumröhrenkollektor mit direkter Durchströmung, noch stärkere Streuung der Temperaturen innerhalb des Kollektors mit, gegenüber dem Sammler als Signalgeber, noch höheren örtlichen Absorbertemperaturen und damit schlechterem Wirkungsgrad.

Flachkollektoren mit direkter, paralleler Durchströmung sind nach dem in Bild 1 dargestellten Prinzip aufgebaut.

Als Nachteile zeigen sie bei vertikaler Anordnung der Kapillarröhren im statischen Zustand einen linearen Anstieg der Temperatur in den mit dem Absorber metallisch fest verbundenen Kapillarröhren. Die Wärmeverteilung im Kollektor steigt von unten nach oben wie in Bild 2 qualitativ skizziert an.

Der Übergang der Wärme im Wärmeträgerfluid aus den Kapillarröhren in den Sammler erfolgt durch Wärmeleitung. Eine Mischung findet nicht statt, d. h. der Flachkollektor mit direkter, paralleler Durchströmung schichtet im statischen Zustand zwischen dem unteren Verteiler und dem oberen Sammler.

Diese Nachteile zeigen sich insbesondere darin, daß die für eine energieoptimale Regelung erforderliche Größe der mittleren Kollektortemperatur als Wert nicht zur Verfügung steht und die inhomogene Verteilung der Kollektortemperatur den Kollektorwirkungsgrad vermindert.

Die Erfindung stellt eine hydraulische Schaltung des Kollektors dar, die diesen statischen Zustand ausschaltet. Die Funktion wird am Beispiel des Flachkollektors mit direkter, paralleler Durchstromung erläutert. Dieses Prinzip kann jedoch auf alle anderen Kollektorbauarten außer derer nach dem heat-pipe Prinzip übertragen werden, sofern sichergestellt ist, daß die in den Absorbern metallisch verbundenen Röhren monoton (streng) steigen.

Die Schaltung ermöglicht aufgrund der Anordnung der im idealen wie realen Zustand in den Kollektor integrierten Baugruppen den zwanghaften, dynamischen Zustand im Innern des Kollektors.

Dieser dynamische Zustand wird durch eine hydraulische Beschaltung gemäß Bild 3 erzwungen.

Kern der hydraulischen Beschaltung ist, daß innerhalb des Kollektors parallel zu den Kapillarröhren ein gegebenenfalls mit einem schwerkraftgesteuerten Rückschlagventil ausgestattetes Rückströmungsrohr verlegt wird, dessen Querschnitt empirisch zu ermitteln ist. Dieses gemäß Bild 3 hydraulisch zu koppelnde Rückströmungsrohr ermöglicht eine zwanghafte Schwerkraftzirkulation innerhalb des Kollektors, wenn es gemäß unten angeführten Bedingungen ausgeführt ist.

Wichtigster Bestandteil der Beschaltung ist, daß dieses Rückströmungsrohr folgende Bedingungen erfüllt:

• 1. Der Verlauf des Rückströmungsrohres liegt im Normalfall innerhalb des Luftraumes des Kollektors.
  Dieser Verlauf stellt sicher, daß die durch Strahlung aufgenommene Wärme im Kollektor verbleibt, d. h. keine zusätzlichen Wärmeverluste auftreten.
• 2. Das Rückströmungsrohr wird so ausgeführt, daß eine maximale "Auskühlung" dieses Abschnitts des hydraulischen Systems möglich ist.
  Die zwangsweise erzeugte Strömung innerhalb des Kollektors erfolgt aufgrund der freien Strömung nach dem Prinzip der Schwerkraft.
• 3. Das Rückströmungsrohr wird durch verspiegelte, mehrschichtig mit Abstand aufgebaute Leit- und Schirmbleche so geschützt, daß keine Strahlung auf die Wandung des Rückströmungsrohres wirken kann und das Rohr gleichzeitig maximal auskühlen kann.
  Die Abschirmung mit verspiegelten Blechen nach Bild 4 bewirkt, daß sich einerseits das Wärmeträgerfluid in den Kapillarröhren der Absorber erwärmt und aufsteigt, andererseits sich das Wärmeträgerfluid im absteigenden Rückströmungsrohr abkühlt und somit der dynamische Prozeß innerhalb des Kollektors einsetzt.
• 4. Das Rückströmungsrohr wird mit einem sich der Schwerkraft folgend öffnenden Rückschlagventil versehen, das einerseits ohne Strömungswiderstand die thermisch bedingte Zirkulation freigibt, andererseits beim Start der Pumpe des Kollektor-Speicher-Kreislaufs die Strömung durch die Kapillarröhren des Absorbers führt.

Durch diese hydraulische Beschaltung wird sichergestellt, daß die Streuung der Temperaturen innerhalb des Kollektors vermindert wird, so daß sich näherungsweise in allen Volumen, d. h. Verteiler, Absorber und Sammler (sowie Rückströmungsrohr) die mittlere Kollektortemperatur einstellt.

Diese Beschaltung führt weiterhin zu einer niedrigeren Absorbertemperatur und stellt gleichzeitig ein höheres erwärmtes Volumen (höheren Energiegehalt) für den Pumpvorgang zur Verfügung.

Die durch die Schwerkraft erzeugte Zirkulation kann durch bekannte hydraulische Verschaltungen mehrerer Kollektorfelder sowie elektrische Pumpen und Ventile verstärkt und ergänzt werden.

Claims (8)

1. Solarkollektor mit zwangsgesteuertem Kollektorbypass zur Erhöhung des Absorberwirkungsgrades des Kollektors und des Anlagenwirkungsgrades thermischer Solaranlagen, dadurch gekennzeichnet, daß hydraulisch parallel zu den, gegenüber der auf das Wärmeträgermedium wirkenden Gewichtskraft, streng monoton steigenden Kapillarröhren im Absorber, ein streng monoton fallender Bypass angeordnet wird.

2. Solarkollektor mit zwangsgesteuertem Bypass nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit einem fremd- oder gewichtskraftgesteuerten Rückschlagventil versehen werden kann.

3. Solarkollektor mit zwangsgesteuertem Bypass nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß diese hydraulische Beschaltung im Kollektor auch im nach außen statischen Zustand einen im Inneren, kontinuierlich dynamischen Zustand bewirkt.

4. Solarkollektor mit zwangsgesteuertem Bypass nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den kontinuierlich dynamischen Zustand die Schichtung innerhalb des Kollektors minimiert, der Wirkungsgrad des Absorbers maximiert wird und der Kollektor insgesamt seiner mittleren Temperatur am nächsten kommt.

5. Solarkollektor mit zwangsgesteuertem Bypass nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Anordnung nach Bild 3 und 4 aufgebaut werden kann und durch die kontinuierlich dynamische Betriebsweise keinerlei Energieverluste entstehen.

6. Solarkollektor mit zwangsgesteuertem Bypass nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Verteiler und Sammler wirkende Bypass (Rückströmrohr) nach Bild 5 durch verspiegelte, mehrschichtig mit Abstand aufgebaute Leit- und Schirmbleche so geschützt wird, daß keine Global- und Wärmestrahlung auf die Wandung des Bypasses wirken kann und der Bypass gleichzeitig (innerhalb des abgeschlossenen Systems Kollektor) maximal auskühlen kann.

7. Solarkollektor mit zwangsgesteuertem Bypass nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schwerkraft erzeugte Zirkulation durch bekannte hydraulische Verschaltung auch mehrerer Kollektorfelder, sowie (im Kollektor liegende) Pumpen und Ventile ergänzt und verstärkt werden kann.

8. Solarkollektor mit zwangsgesteuertem Bypass nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Bildern 3 und 4 anhand des Kollektors mit parallel verlaufenden Absorberkapillarröhren erläuterte Funktionsweise auf andere Kollektoren übertragen werden kann.