DE19734924C1 - Solarthermische Anlage mit einem Sonnenkollektor und einem Wärmespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine solarthermische Anlage mit einem Sonnenkollektor und einem diesem in Ener­ gieflußrichtung nachgeordneten Wärmespeicher.

Bekannte derartige solarthermische Anlagen verwenden ein Wärmeträgerfluid, das im natürlichen oder erzwungenen Kreislauf zwischen dem Sonnenkollektor und dem Wärmespeicher umläuft und dabei, gegebenenfalls unter Phasenumwandlung, thermische Energie überträgt. Um die Wärmeverluste im Wärme­ speicher zu begrenzen, insbesondere in Perioden mit wenig Sonnenschein und bei tiefer Lufttemperatur, muß die Isolie­ rung des Wärmespeichers sehr wirkungsvoll sein, was zu großem Volumen und hohen Kosten führt. Selbst mit großem Isolationsaufwand ist es bisher nicht gelungen, auf diese Weise Sonnenenergie vom Sommer bis in den nächsten Winter mit vernünftigem Wirkungsgrad, d. h. geringen Verlusten, zu speichern.

Es sind auch bereits, beispielsweise aus der Druck­ schrift DE 43 05 264 A1, Materialien bekannt, die Wärmeener­ gie auf chemische Weise speichern. In dieser Druckschrift werden insbesondere Stoffe beschrieben, die zu umkehrbaren Hydratisierungs- und Dehydratisierungsvorgängen fähig sind.

Aus der US-A-3 955 554 ist ein Solarsystem beschrie­ ben, das auch derartige Stoffe verwendet und diese mit Schneckenförderern zwischen einem Wasserbad (zur Wärmeent­ nahme) und einer solaren Trocknungsstation (zur chemischen Energiespeicherung) hin- und herbefördert.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine solarthermische Anlage anzugeben, die einen einfachen Aufbau besitzt und Wärmeenergie nahezu zeitlich unbeschränkt für einen späteren Verbrauch zu speichern vermag. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 definierte Anlage gelöst. Durch Verwendung eines wasserselektiven Absoptionsmaterials nicht nur für die Langzeitspeicherung im Wärmespeicher, sondern auch für den Sonnenkollektor wird eine einheitliche Technologie geschaffen, und der Betrieb der Anlage läßt sich durch einfache Wasserpumpen sowohl hinsichtlich der witterungs- und tageszeitabhängigen Schwan­ kungen der Sonnenstrahlung als auch hinsichtlich der Schwan­ kungen der gewünschten Wärmeentnahme optimieren.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsbei­ spiele der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Aus­ führungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Anlage.

Fig. 2 zeigt eine Variante zu Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Sonnenkollektor 1 zu sehen, der in üblicher Weise mit einer Glasscheibe 2 bedeckt ist, durch die Sonnenlicht auf eine die Sonnenstrahlung absorbierende Schicht 3 gelangt. Zwischen der Glasscheibe 2 und der Schicht 3 liegt vorzugsweise ein evakuierter Raum, um den Wärmeverlust dieser Schicht 3 durch die Scheibe 2 hindurch mittels Konvektion zu begrenzen.

Unter der Absorptionsschicht befindet sich in einem porösen oder körnigen Trägerkörper verteilt ein wasserselek­ tives Absorptionsmaterial, das die Eigenschaft hat, bei Feuchtigkeitszufuhr hydratisiert und bei Wärmezufuhr wieder dehydratisiert zu werden. Hier handelt es sich beispiels­ weise um Erdalkali- und Alkali-Halogenide oder -Sulfate wie CaCl₂, LiBr, Na₂SO₄. Als Trägerkörper kommt beispielsweise Silicagel in Frage. Es empfiehlt sich auch, den Sonnenkol­ lektor auf den nicht der Sonnenstrahlung ausgesetzten Seiten äußerlich mit einer Wärmeisolierung zu versehen, um Wärme­ verluste möglichst zu vermeiden.

In einer Variante kann die Schicht 3 zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärme auch durch eine transparente Abdeckung des wasserselektiven Absorptionsmaterials 4 er­ setzt sein, wobei dann der Trägerkörper selbst, in dem dieses Material fein verteilt vorliegt, die Strahlungsener­ gie in Wärme umwandelt. Der Trägerkörper besteht dann z. B. aus schwarzem Kohlenstoff.

Der Raum, in dem sich das Absorptionsmaterial 4 befindet, ist über eine Dampfleitung 5 mit einem Wärmetau­ scher 6 im oberen Bereich eines Wärmespeichers 7 verbunden. In der Figur ist der Wärmetauscher als aus mehreren in verschiedenen Höhen liegenden Teilen bestehend dargestellt, wobei Ventile wie die Ventile 19 und 20 bei Bedarf weiter unten liegende Teile zu- oder abschalten können. Der abge­ kühlte oder bereits kondensierte Dampf am Ausgang des Wärme­ tauschers 6 gelangt in einen Kondensatbehälter 8, der wie­ derum über eine eine Pumpe 9 enthaltende Wasserleitung mit einem Brausekopf im Sonnenkollektor verbunden ist. Dieser Brausekopf verteilt bei Bedarf Wasser gleichmäßig über das Absorptionsmaterial 4 im Sonnenkollektor 1, während ein verbleibender Restdampf wieder in die Dampfleitung 5 über ein Ventil 11 rückgespeist werden kann.

Der Wärmespeicher 7 ist beispielsweise als aufrecht stehender Kreiszylinder ausgebildet und wie üblich mit einer Wärmeisolierung umgeben. Er ist ebenfalls mit einem wasser­ selektiven Absorptionsmaterial 12 gefüllt, das von der glei­ chen Art wie das Absorptionsmaterial 4 im Sonnenkollektor sein kann, aber nicht sein muß. Auch der Trägerkörper kann im Wärmespeicher sich von dem des Sonnenkollektors unter­ scheiden, und beispielsweise vergleichsweise kleinere Poren besitzen, um die Dehydratisierung schon bei niedrigeren Temperaturen zu bewirken.

Im unteren Bereich des Wärmespeichers befinden sich Wärmetauscher für die verschiedenen Wärmeverbraucher. In der Figur ist nur ein solcher Verbraucher 14 gezeigt, der bei­ spielsweise eine Fußbodenheizung ist und über einen Wärme tauscher 13 mit Wärmeenergie versorgt wird. Außerdem ist noch eine Wasserrückspeiseleitung 18 vorhanden, die eine steuer­ bare Pumpe 16 enthält und bei Bedarf Wasser aus dem unter­ sten Bereich des Wärmespeichers 7 zu einem Brausekopf 17 im oberen Bereich dieses Wärmespeichers befördert.

Im Betrieb stellt sich im Wärmespeicher 7 ein Gefälle des Hydratisierungsgrads des Absoptionsmaterials ein: Wäh­ rend im obersten Bereich aufgrund einer vorangegangenen Heizperiode das Material weitgehend dehydratisiert ist, kann sich im untersten Bereich über die Sättigung des Absorp­ tionsmaterials hinaus freies Wasser sammeln, dessen Wärmein­ halt beispielsweise für den Verbraucher 14 abgezogen wird.

Die Anlage arbeitet folgendermaßen:
Es sei angenommen, daß das Absorptionsmaterial 4 des Sonnen­ kollektors dehydratisiert ist, z. als Ergebnis der Sonnen­ einstrahlung am Vortag. In diesem Zustand befindet sich kein freies Wasser im Sonnenkollektor 1, sodaß auch ein Absinken der Außentemperatur unter den Gefrierpunkt keine Gefahr darstellt.

Kurz vor oder bei Sonnenaufgang wird mit der Pumpe 9 Kondensat aus dem Behälter 8 in die Brause 10 gedrückt, sodaß das Absorptionsmaterial hydratisiert wird. Dabei steigt durch die freiwerdende Bindungsenergie ohne Sonnen­ einstrahlung bereits die Temperatur des Materials an. Durch die zusätzliche Wirkung der Sonne steigt die Temperatur dann weiter bis zu Werten, bei denen das gebundene Wasser wieder freigegeben wird (Dehydratisierung) und als Dampf durch die Leitung 5 in den Wärmespeicher 7 strömt. Die Speisung des Kollektors 1 mit Wasser kann intermittierend oder kontinu­ ierlich während der ganzen Dauer des täglichen Sonnenscheins fortgesetzt werden. Der Wasserdampf gibt seine Wärme im Wärmetauscher 6 an den oberen Bereich des Wärmespeichers 7 ab, was zu einer Teilkondensation des Dampfes führt. Das Kondensat wird im Behälter 8 gesammelt, während der Rest­ dampf in die Dampfleitung 5 oder direkt in das Absorptions­ material 4 zurückgeführt wird. Dieser Dampfkreislauf trans­ portiert also im Ergebnis Wärme in das Absorptionsmaterial 12 des Wärmespeichers 7 und führt zu einer Dehydratisierung der dem Wärmetauscher 6 unmittelbar benachbarten Zone des Wärmespeichers 7 beziehungsweise in daran angrenzenden Zonen, falls die erstgenannte Zone bereits dehydratisiert ist.

Falls keine Energie durch die Verbraucher 14 entnom­ men wird und die Sonne weiter scheint, schreitet der Dehy­ dratisierungsprozess von oben nach unten im Wärmespeicher 7 fort, wobei zunehmend auch weiter unten liegende Teile des Wärmetauschers 6 über Ventile wie 19 und 20 zugeschaltet werden. Falls dagegen Energie aus dem Wärmespeicher entnom­ men werden soll, pumpt man über die Rückspeiseleitung 18 mithilfe der Pumpe 16 Wasser, das sich im unteren Teil des Speichers 7 angesammelt hat, zur Brause 17, sodaß das Ab­ sorptionsmaterial von oben beginnend wieder hydratisiert wird. Dabei wird Wärme frei, und zwar auch, wenn nicht gleichzeitig Sonne den Kollektor 1 bestrahlt. Diese Wärme kann den Verbrauchern zugeführt werden.

Wenn keine Wärme über die Dampfleitung 5 zugeführt und keine Energie an die Verbraucher abgeführt wird, ist der Wärmespeicher nahezu verlustfrei auf niedrigem Temperaturni­ veau stabil. Schon mit einer wenig aufwendigen Wärmeisolie­ rung kann die Energie im Speicher 7 mit geringen Verlusten über große Zeiträume gespeichert werden. Eine Wärmeisolie­ rung ist aber trotzdem sinnvoll, weil der Hydratisierungs- und der Dehydratisierungsprozeß bei höheren Temperaturen ablaufen, sodaß eine schlechte Außenisolierung des Speichers den Wirkungsgrad dieser Prozesse verringern würde.

Es empfiehlt sich, um eine ungehinderte Dampfaus­ breitung in den Absorptionsmaterialien zu gewährleisten, diese Materialien und die angeschlossenen Dampf- und Wasser­ leitungen einem Unterdruck auszusetzen, z. B. einem Partial­ luftdruck von 1 mbar. Heim Einspeisen von Wasser in das dehydratisierte Absoptionsmaterial entstehen Temperaturen je nach gewähltem Material von 120°C oder mehr. Der Druck steigt dabei entsprechend den Wasserdampfisosteren des Absorptionsmaterials auf bis zu etwa 0,8 Bar. Ein wesentli­ cher Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage liegt darin, daß ein Absolutdruck von 1 Bar trotz der hohen Temperaturen nicht erreicht wird, denn dann ist das Absorptionsmaterial völlig dehydratisiert und wird ein guter Wärmeisolator. Höhere Drücke können also kaum auftreten.

In der Dampfleitung ist noch ein Ventil 21 zu sehen, das eine Isolierung des Wärmespeichers erlaubt, wenn die im Sonnenkollektor eingefangene Energie zwar nicht mehr zum Laden des Speichers, aber noch für über einen eigenen Wärme­ tauscher 23 direkt an den Sonnenkollektor angeschlossene Verbraucher 22 ausreicht.

Fig. 2 zeigt eine Variante zu Fig. 1, bei der der Wärmetauscher 6 entfallen ist. Gleiche Teile tragen im übrigen die gleichen Bezugszeichen. Hier wird also der im Sonnenkollektor freigesetzte Dampf unmittelbar in das Ab­ soptionsmaterial des Wärmespeichers 7 eingespeist. Der Dampf gibt absinkend seine Verdampfungsenergie ab und hydratisiert zugleich das Absorptionsmaterial 12. Das Kondensat am unte­ ren Ende des Wärmespeichers gelangt in den Kondensatbehälter 8, aus dem die Pumpe 16 bei Bedarf Wasser für die Rückspei­ sung zum Brausekopf 17 entnimmt.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Wasserzufuhr zum Sonnenkollektor 1 und/oder den Wärmespei­ cher 7 in offenem Kreislauf auszuführen, d. h. daß nicht das gesammelte Wasser, sondern Frischwasser aus einer äußeren Wasserleitung eingespritzt wird. Diese Möglichkeit ist durch ein Ventil 15 angedeutet.

Claims (9)

1. Solarthermische Anlage mit einem Sonnenkollektor und einem diesem in Energieflußrichtung nachgeordneten Wärmespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenkollek­ tor (1) und der Wärmespeicher (7) je ein wasserselektives Absorptionsmaterial (4; 12), das bei Feuchtigkeitszufuhr hydratisiert und bei Wärmezufuhr dehydratisiert wird, und je ein Mittel (9; 16) zur geregelten Zufuhr von Wasser zu diesem Material enthalten.

2. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsmaterialien (4; 12) unter Erdalkali- und Alkali-Halogeniden sowie -Sulfaten ausgewählt werden.

3. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial in einem porösen oder körnigen Trägerkörper verteilt angeordnet ist.

4. Solarthermische Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsmate­ rialien (4; 12) einem Unterdruck ausgesetzt sind.

5. Solarthermische Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (9) zur Zufuhr von Wasser zum Sonnenkollektor (1) aus einem Kon­ densatbehälter (8) gespeist werden, der an einen Kondensa­ tionswärmetauscher (6) im Wärmespeicher (7) angeschlossen ist, in dem der vom Sonnenkollektor (1) gelieferte Wasser­ dampf seine Verdampfungswärme an den Wärmespeicher (7) abgibt.

6. Solarthermische Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (16) zur Zufuhr von Wasser zum Wärmespeicher (7) mit dem Boden des Wärmespeichers verbunden sind und sich dort im Trägerkörper sammelndes Wasser ansaugen.

7. Solarthermische Anlage nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieverbraucher (14) über im unteren Bereich des Wärmespeichers (7) angeordnete Wärmetauscher (13) gespeist werden, während der Kondensa­ tionswärmetauscher (6) sich im oberen Bereich des Wärmespei­ chers (7) befindet.

8. Solarthermische Anlage nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Absorptionsmaterial des Sonnenkollektors ein Wärmetauscher (23) befindet, der mit einem oder mehrereren Verbrauchern (22) verbunden ist, und daß in der Dampfleitung (5), die den Sonnenkollektor (1) mit dem Wärmespeicher (7) verbindet, ein steuerbares Ventil (21) angeordnet ist.

9. Solarthermische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (9) zur Zufuhr von Wasser zum Sonnenkollektor (1) aus einem Kondensatbehäl­ ter (8) gespeist werden, der das im unteren Bereich des Wärmespeichers (7) sich sammelnde Wasser empfängt, und daß der im Sonnenkollektor (1) gebildete Dampf über eine Dampf­ leitung (5) in das Absorptionsmaterial (12) des Wärmespei­ chers (7) gelangt.