DE19781219C1

DE19781219C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Optimierung der Wärmegewinnung aus solarthermischen Anlagen

Info

Publication number: DE19781219C1
Application number: DE19781219A
Authority: DE
Inventors: Volker Boehringer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2017-10-23
Also published as: AU5397998A; WO1998019115A1; SE9903599D0

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Optimierung der Wärmegewinnung aus solarthermischen Anlagen mit einem als Wärmesammler dienenden Kollektor der über Verbindungsleitungen mit einem Wärmespeicher verbunden ist nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. von einem Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung mit einer Umlaufleitung zwischen dem Kollektorvorlauf und dem Kollektorrücklauf.

Bei den in vielfältiger Weise bekannten Verfahren oder Vorrichtungen dieser Art wird ein Wärmeträgerfluid, welches durch ein Leitungssystem innerhalb eines Kollektors strömt, in diesem durch Wärmestrahlung erwärmt und über Verbindungsleitungen einem Wärmespeicher oder Verbraucher zugeführt, dem es die Wärme abgibt. Die Leistung solcher Anlagen wird wesentlich durch die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers mitbestimmt. Deshalb wird auf verschiedene Weise versucht über eine Regelung dieser Strömungsgeschwindigkeit den Wärmeübergang zu optimieren. Beispielsweise mit drehzahlgeregelten Pumpen oder Bypaßsystemen.

Bei einer bekannten Vorrichtung zur Optimierung der Wärmegewinnung aus solarthermischen Anlagen (US 4,126,122) strömt ein Wärmeträgerfluid zur Aufnahme von Wärmeenergie durch einen als Wärmesammler dienenden Kollektor, gelangt über eine den Kollektorvorlauf bildende Verbindungsleitung zur Abgabe der Wärmeenergie in einen Wärmespeicher, um anschließend über eine Verbindungsleitung, die den Kollektorrücklauf bildet, in den Kollektor zurückzuströmen, mit einer Fördereinrichtung im Kollektorvorlauf und mit einer zusammen mit dem Kollektor einen Sekundärkreislauf bildenden Umlaufleitung zwischen Kollektorvor- und Kollektorrücklauf, wobei die Umlaufleitung mittels einem regelbaren Ventil oder Rückschlagventil in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Fördereinrichtung schließbar ist. Die Fördereinrichtung wird erst bei übersteigen einer bestimmten Kollektortemperatur eingeschaltet und fördert dann das Wärmeträgerfluid durch den Sekundärkreislauf da zunächst ein Ventil den Hauptkreislauf geschlossen hält. Überschreitet die Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Wärmespeicher einen voreingestellten Betrag, wird der Kollektorvorlauf zum Wärmespeicher hin geöffnet und die Umlaufleitung geschlossen, so daß ein Wärmetransport vom Kollektor zum Wärmespeicher erfolgen kann. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß das Wärmeträgerfluid erst strömt, wenn die Fördereinrichtung eingeschaltet wird. Durch die fest eingestellte Einschalttemperatur der Fördereinrichtung kann diese auch zu spät einschalten, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kollektors vermindert. Eine Optimierung der Wärmeübertragung und damit der Wärmegewinnung vor Einschalten der Fördereinrichtung erfolgt nicht. Außerdem wird die Wärmegewinnung der Anlage aufgrund von Leitungsverlusten im Kollektorvor- und Rücklauf sowie innerhalb der Umlaufleitung zumindest am Anfang nach dem Start verringert, da die Verbindungsleitungen des Sekundärkreislaufs erwärmt werden müssen, und dadurch durch ihre gegenüber dem Stillstand erhöhte Temperatur zusätzliche Wärmeverluste verursachen.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 bzw. des Anspruch 4 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Wärmeübergang im Kollektor schon vor Einschalten der Fördereinrichtung des Hauptkreislaufes optimiert wird, da eine Zirkulation des Wärmeträgerfluids im Sekundärkreislauf aufgrund von Schwerkraft erfolgt.

Die Zirkulation des Wärmeträgerfluids im Sekundärkreislauf kommt ohne eine zusätzliche Fördereinrichtung in Gang, sobald durch Wärmeeinstrahlung Temperaturdifferenzen innerhalb des Kollektors entstehen und die Temperatur im Kollektor erhöht wird. Das Prinzip der Schwerkraftzirkulation beruht auf unterschiedlichen Dichten und Temperaturen des Wärmeträgerfluids in der Umlaufleitung und in den Leitungen innerhalb des Kollektors. Dadurch daß die Umlaufleitung innerhalb des Kollektorgehäuses und beschattet geführt wird, zur Bildung einer thermischen Einheit mit dem Kollektor, treten keine zusätzlichen Leitungsverluste im Umlaufbetrieb auf, sondern es kann schon bei niedriegen Temperaturen und ohne Einschalten der Fördereinrichtung der Wirkungsgrad optimiert werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß schneller ein positiver Wärmeeintrag in den Wärmespeicher erreicht wird, da Wärmeverluste im Umlauf vermieden werden und so der Hauptkreislauf vom Kollektor zum Wärmespeicher schneller geöffnet werden kann. Außerdem erhält man dadurch eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb des Kollektors, weshalb eine exakte Bestimmung des Einschaltzeitpunktes der Fördereinrichtung möglich wird. Wenn die Fördereinrichtung eingeschaltet wird kann die Umlaufleitung über ein geregeltes Ventil geschlossen werden, damit der eigentliche Wärmetransport zum Wärmespeicher erfolgen kann und das Wärmeträgerfluid kontinuierlich durch den Kollektor strömt. Insgesamt kann dadurch der Wirkungsgrad der Anlage erheblich verbessert werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Fördereinrichtung des Kollektorvorlaufs erst eingeschaltet wenn der Wärmeenergieeintrag in den Wärmespeicher durch das Wärmeträgerfluid positiv ist. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß aus den Temperaturen und Volumenströmen Wärmenergiemengen der Anlage berechnet werden, die zusammen mit anlagenspezifischen Werten zur Berücksichtigung von Wärmeverlusten in den Leitungen etc. die Einschaltbedingung der Fördereinrichtung ergeben. Das hat den Vorteil, daß Verluste durch aufzuwärmende Leitungen vermieden werden, und der Gesamtwirkungsgrad der solarthermischen Anlage erhöht wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine zweite Fördereinrichtung innerhalb der Umlaufleitung dann eingeschaltet, wenn die Fördereinrichtung des Kollektorvorlaufes ausgeschaltet ist und zusätzlich ein anlagenspezifischer Wert überschritten wird. Dies hat den Vorteil, daß die Schwerkraftzirkulation im Sekundärkreislauf unterstützt wird und der Konversationsfaktor im Kollektor verbessert wird, wodurch ein höherer Wirkungsgrad der gesamten Anlage erreichbar ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Umlaufleitung mit einem regelbaren Ventil innerhalb des Kollektors vogesehen und sind Einrichtungen vorhanden zur Regelung der Fördereinrichtung und/oder des regelbaren Ventiles. Auf diese Weise werden Leitungsverluste einerseits durch die geringe Länge der Umlaufleitung vermieden und andererseits gibt es keine Wärmeverluste durch den Umlauf, da die Umlaufleitung innerhalb des Kollektors liegt. Durch die Regelungseinrichtung lassen sich die Fördereinrichtung und das Ventil entweder einzeln oder gemeinsam (d. h. abhängig vom Betriebszustand der Fördereinrichtung) regeln.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der Umlaufleitung eine Fördereinrichtung zur Unterstützung der Schwerkraftzirkulation vorgesehen und es sind Mittel vorhanden zur Temperaturmessung und eine Einrichtung zum Errechnen anlagenspezifischer Ein- und Ausschaltbedingungen sowie zum Regeln der Anlage aufgrund dieser Bedingungen. Dadurch kann einerseits der Wirkungsgrad der Anlage verbessert werden, da die Schwerkraftzirkulation bei Bedarf durch die Fördereinrichtung unterstützt werden kann. Andererseits ist eine Regelung in der Art möglich, daß die Wärmegewinnung weiter optimiert wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Umlaufleitung und das regelbare Ventil oder Rückschlagventil als Bausatz an bestehende, konventionelle Kollektoren anschließbar. Auch ganze Kollektorenfelder können so mit nur einem Sekundärkreislaufbausatz, der vorteilhafterweise so anzubringen ist, daß er annähernd eine thermische Einheit mit den Kollektoren bildet und auch von der Wärmeeinstrahlung profitiert, nachgerüstet werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des geregelten Schwerkraft-Umlaufsystems,

Fig. 2 eine Darstellung des geregelten Pump-Umlaufsystems,

Fig. 3 die Fluidströme im Betriebszustand "Speicher laden",

Fig. 4 die Fluidströme im Betriebszustand "Umlaufkollektor mit Abwärme laden".

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Umlaufkollektor 1 dargestellt, der über Verbindungsleitungen 2; 5 mit einem Wärmetaucher 3 in einem Wärmespeicher 4 verbunden ist. Der im Betriebszustand "Schwerkraft- Umlauf" im Umlaufkollektor 1 erwärmte Wärmeträger wird von der Pumpe 24 durch die Verbindungsleitung 2 in den im Wärmespeicher 4 befindlichen Wärmetauscher 3 gefördert. Dort gibt er seine Wärme ab und verläßt den Wärmetauscher 3 und den Speicher 4. In der Verbindungsleitung 5 strömt er zurück in den Kollektor um, ausreichende Energiestromdichte vorausgesetzt, wieder erwärmt zu werden. Das Rückschlagventil 22 dient dazu, bei abgeschalteter Pumpe 21 den Umlauf innerhalb des Kollektors sicherzustellen sowie unerwünschte Rückflüsse des Wärmeträgers aus dem Speicher in die Leitung 2 und den Kollektor 1 zu unterbinden.

In Fig. 2 ist ein Umlaufkolektor dargestellt, der über Verbindungsleitungen 2; 5 mit einem Wärmtauscher 3 in einem Wärmespeicher 4 verbunden ist. Der im Betriebszustand "Pump-Umlauf" im Kollektor 1 bei eingeschalteter Pumpe 18 erwärmte Wärmeträger wird bei ausgeschalteter Pumpe 18 von der Pumpe 21 durch die Verbindungsleitung 2 in den im Wärmespeicher 4 befindlichen Wärmetauscher 3 gefördert. Dort gibt er seine Wärme ab und verläßt den Wärmetauscher 3 und den Speicher 4. In der Verbindungsleitung 5 strömt er zurück in den Kollektor um, ausreichende Energiestromdichte vorausgesetzt, wieder erwärmt zu werden. Das Rückschlagventil 16 dient dazu, bei eingeschalteter Pumpe 21 die ausschließliche Durchströmung des Absorbers 11 sicherzustellen, das Rückschlagventil 21 dient dazu, bei abgeschalteter Pumpe 21 den Umlauf innerhalb des Kollektors 1 sicherzustellen sowie unerwünschte Rückflüsse des Wärmeträgers aus dem Wärmetauscher 3 im Wärmespeicher 4 in die Leitung 2 und den Kolektor 1 zu unterbinden.

In Fig. 3 sind die Fluidströme des Betriebszustrandes "Speicher laden" bei Wärmeträgerfluidströmung im Kollektor und im Speicher dargestellt. Die Pumpe 21 ist eingeschaltet, die Pumpe 18 ist ausgeschaltet.

In Fig. 4 sind die Fluidströme des Betriebszustandes "Umlaufkollektor mit Abwärme laden" bei ausschließlicher Wärmeträgerfluidströmung im Kollektor. Die Pumpe 21 ist ausgeschaltet, die Pumpe 18 ist eingeschaltet.

Bezugszeichenliste

1

Umlaufkollektor

11

Absorber im Umlaufkollektor

14

Umlaufleitung

16

Rückschlagventil

18

Fördereinrichtung

2

Verbindungsleitung zwischen Ausgang des Umlaufkollektors und Eingang des Wärmetauschers

21

Fördereinrichtung

22

Rückschlagventil

3

Wärmetauscher im Speicher

4

Wärmespeicher/Verbraucher

5

Verbindungsleitung zwischen Ausgang des Wärmetauschers und Eingang des Umlaufkollektors

Claims

1. Vorrichtung zur Optimierung der Wärmegewinnung aus solarthermischen Anlagen, bei dem ein Wärmeträgerfluid zur Aufnahme von Wärmeenergie durch einen als Wärmesammler dienenden Kollektor (1) strömt, über eine den Kollektorvorlauf (2) bildende Verbindungsleitung zur Abgabe der Wärmeenergie in einen Wärmespeicher (4) gelangt und anschließend über eine Verbindungsleitung, die den Kollektorrücklauf (5) bildet, in den Kollektor zurückströmt, mit einer Fördereinrichtung (21) im Kollektorvorlauf und mit einer zusammen mit dem Kollektor einen Sekundärkreislauf bildenden Umlaufleitung (14) zwischen Kollektorvorlauf und Kollektorrücklauf, wobei die Umlaufleitung mittels eines regelbaren Ventils (16) oder Rückschlagventils in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Fördereinrichtung (21) absperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreislauf mit Wärmeträgerfluid aufgrund von Schwerkraftzirkulation durchströmt wird und daß die Umlaufleitung (14) innerhalb des Kollektors (1) beschattet geführt wird.

2. Vorrichtung zur Optimierung der Wärmegewinnung aus solarthermischen Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umlaufleitung eine Fördereinrichtung (18) vorgesehen ist zur Unterstützung der Schwerkraftzirkulation und daß Mittel zur Temperaturmessung sowie eine Einrichtung zum Errechnen anlagenspezifischer Ein- und Ausschaltbedingungen und zum Regeln der Anlage aufgrund dieser Bedingungen vorgesehen sind.

3. Vorrichtung zur Optimierung der Wärmegewinnung aus solarthermischen Anlagen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufleitung und das regelbare Ventil oder Rückschlagventil als Bausatz an bestehende, konventionelle Kollektoren anschließbar sind.

4. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung (21) erst eingeschaltet wird wenn die Enthalpie des Kollektors so groß ist, daß ein Wärmeenergieeintrag in den Wärmespeicher durch das Wärmeträgerfluid positiv ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4 mit einer zweiten Fördereinrichtung (18) in der Umlaufleitung gekennzeichnet durch

1. 5.1 das Ermitteln der auf den Kollektor auftreffenden Energiestromdichte dE/dt,
2. 5.2 das Ermitteln von spezifischen Temperaturdifferenzen innerhalb des Kollektors,
3. 5.3 das Errechnen der zeitlichen Temperaturgradienten innerhalb des Kollektors als Funktion der Energiestromdichte dE/dt,
4. 5.4 Feststellen des Betriebszustandes der Fördereinrichtung (21),
5. 5.5 Einschalten der Fördereinrichtung (18) wenn die Fördereinrichtung (21) ausgeschaltet ist und mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:
- 1. 5.5.1 Der Energiestrom dE/dt überschreitet einen anlagenspezifischen Wert;
- 2. 5.5.2 die spezifischen Temperaturdifferenzen innerhalb des Kollektors überschreiten einen bestimmten, anlagenspezifischen Wert;
- 3. 5.5.3 die zeitlichen Temperaturgradienten innerhalb des Kollektors überschreiten einen bestimmten, anlagenspezifischen Wert und
6. 5.6 Abschalten der Fördereinrichtung (18) wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:
- 1. 5.6.1 Der Energiestrom dE/dt unterschreitet einen anlagenspezifischen Wert;
- 2. 5.6.2 die spezifischen Temperaturdifferenzen innerhalb des Kollektors unterschreiten einen bestimmten, anlagenspezifischen Wert;
- 3. 5.6.3 die zeitlichen Temperaturgradienten innerhalb des Kollektors unterschreiten einen bestimmten, anlagenspezifischen Wert;
- 4. 5.6.4 die Fördereinrichtung (21) schaltet sich nach einem Regelalgorithmus zum Laden eines thermischen Energiespeichers ein.