-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Solarenergie
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Vorrichtungen
zur Nutzung von Solarenergie sind hinlänglich bekannt und inzwischen
weit verbreitet. Derartige Vorrichtungen enthalten einen beispielsweise
als Flachkollektor ausgebildeten Solarkollektor, einen mit Wasser
als Speichermedium arbeitenden Wärmespeicher,
ein beide verbindendes Rohrleitungssystem, das ein beispielsweise
als Rohrschlange ausgebildetes, z. B. im Wärmespeicher angeordnetes Wärmeübertragungsmittel
aufweist, das zu Übertragung
der von Solarkellektor erzeugten Wärme auf den Wärmespeicher
dient, und ggf. dem Fachmann bekannte, zusätzliche, zur Funktion der Vorrichtungen
erforderliche oder erwünschte Mittel.
-
Zum
Wärmetransport
dient bei diesen Vorrichtungen ein das Rohrleitungssystem durchströmendes,
flüssiges
Wärmetransportmedium,
beispielsweise mit Frostschutzzusätzen versehenes Wasser, das
von einer beispielsweise elektrisch betriebenen Pumpe umgewälzt wird.
Das Wärmetransportmedium
durchströmt
den Solarkollektor, wird dort erwärmt, durchströmt hiernach
das Wärmeübertragungsmittel
und gibt in diesem die zuvor aufgenommene Wärme an das im Wärmespeicher
befindliche Wasser ab. Das dadurch abgekühlte Wärmetransportmedium gelangt
durch Umwälzung
im Rohrleitungssystem wieder in den Solarkollektor, wird dort wieder
erwärmt,
und der Kreislauf beginnt erneut.
-
Obwohl
sich derartige Vorrichtungen durchgesetzt haben, sind sie mit einer
Reihe von Nachteilen behaftet. Zunächst ist ihr Betrieb mit einem
hohen Wartungsaufwand verbunden, da beispielsweise die Beschaffenheit
der Frostschutzzusätze
in bestimmten Zeitabständen überprüft werden
muß und
weitere Anlagenparameter wie beispielsweise der Druck im Rohrleitungssystem überwacht
werden müssen.
Außerdem
ist die Wärmespeicherkapazität dieser
Vorrichtungen begrenzt, da sie nicht zur Speicherung von Wasser
ausgelegt sind, das bis auf Temperaturen im Siedebereich erhitzt
werden soll und das verwendete Wärmespeichermedium
daher nicht beliebig hoch erwärmt
werden kann. Außerdem
treten bei zu hohen Temperaturen Verkalkungsprobleme auf. Schließlich ist
zum Umwälzen
des Wärmetransportmediums
sog. Hilfs- oder Fremdenergie erforderlich, beispielsweise in Form
von elektrischem Strom zum Betrieb elektrischer Pumpen und/oder
weiterer erforderlicher Einrichtungen.
-
Daher
wurden, unter anderem zur Behebung der oben stehenden Nachteile,
Vorrichtungen der eingangs bezeichneten, gattungsgemäßen Art
entwickelt.
-
Eine
derartige Vorrichtung zur Nutzung von Solarenergie ist beispielsweise
aus der
EP 0 221 575 A1 bekannt.
Sie enthält
neben einem üblichen
Solarkollektor zwar ebenfalls einen Wärmespeicher und ein Wärmetransportmittel,
doch besteht hier sowohl das Speichermedium als auch das Wärmetransportmittel
aus einem Festkörper.
-
Insbesondere
besteht das Speichermedium aus einem die Wärme vergleichsweise schlecht
leitenden Material, z. B. einem Aluminiumblock, während als
Wärmetransportmittel
zwei vergleichsweise gut wärmeleitende,
hilfsenergiefrei arbeitende Wärmetransportelemente
in Form von Kupferstäben
oder Wärmerohren
(sog. "heat pipes") vorgesehen sind. Bei
dieser Vorrichtung wird vom Solarkollektor gelieferte Wärme mittels
eines ersten Wärmetransportelements
in den Wärmespeicher
transportiert und in diesem gespeichert. Über ein zweites Wärmetransportelement,
dessen Wärmetransportleistung über ein Steuerorgan
steuerbar ist, kann die im Wärmespeicher
gespei cherte Wärme
bei Bedarf zum Wärmeübertragungsmittel
transportiert werden.
-
Trotz
der hiermit erreichten Verbesserungen, die aus der Verwendung von
hilfsenergiefreien Wärmetransportelementen
und von Metall anstelle von Wasser als Speichermedium resultieren
(Metallwäremspeicher
können
auf höhere
Temperaturen als Wasser erwärmt
werden und daher größere Wärmemengen
speichern), haben diese Vorrichtungen bisher keine Verbreitung gefunden.
Eine Ursache hier dürfte
unter anderen darin zu sehen sein, dass der Wärmespeicher der oben beschriebenen
Vorrichtung zunächst
auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden muß, bevor
ein nennenswerter Wärmetransport
mittels des zweiten Wärmetransportelements vom
Wärmespeicher
zum Wärmeverbraucher
hin erfolgt. Insbesondere muß der
Wärmespeicher
auf eine Temperatur erhitzt werden, die mindestens genauso groß wie diejenige
Temperatur ist, die vom Wärmeverbraucher,
z. B. einer Kochplatte, einen Heizungsradiator od. dgl., gefordert
wird. Da hierfür
zumindest dann eine vergleichsweise große Zeitspanne benötigt wird,
wenn sich der Wärmespeicher
gerade auf einer wesentlich geringeren als der geforderten Temperatur
befindet, wird der Wärmeverbraucher
je nach Fall erst zeitverzögert
mit der erforderlichen Wärme versorgt.
-
Ausgehend
davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung
der eingangs bezeichneten Gattung dahingehend zu verbessern, dass
eine derartige Verzögerung
nicht eintritt und der Wärmeverbraucher
auch bereits dann auf die geforderte Temperatur erhitzt werden kann,
wenn der Wärmespeicher
diese Temperatur noch nicht aufweist.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1.
-
Die
Erfindung löst
die Aufgabe mittels einer direkten, wärmeleitenden Verbindung zwischen
dem Solarkollektor und dem Wärmeverbraucher.
Hierdurch kann die vom Solarkollektor gelieferte Wärme immer
dann, wenn der Wärmespeicher
nicht oder noch nicht die vom Wärmeverbraucher
geforderte Temperatur besitzt, zunächst direkt zum Wärmeverbraucher
transportiert werden. Eine Wartezeit, bis der Wärmespeicher eine für den Wärmetransport
von ihm zum Wärmeverbraucher
erforderliche Temperatur aufweist, entfällt daher.
-
Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung
an einem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
-
In
der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung
von Solarenergie beispielhaft dargestellt. Die Vorrichtung enthält einen
Solarkollektor 1 mit einem wärmedämmenden Gehäuse 2, einem Absorptions-
und Speicherkörper 3 sowie
einer nicht gezeigten, für
Solarstrahlung transparenten Abdeckung. Die Vorrichtung enthält ferner
einen Wärmespeicher 4 mit
einem wärmedämmenden
Gehäuse 5 und
einem Wärmespeicherblock 6 aus
einem weniger gut wärmeleitenden
Material wie z. B. Aluminium. Ein Wärmeverbraucher 7 ist
hier als ein Wärmeaustauscher
ausgeführt,
der mit einem wärmedämmenden
Gehäuse 8 versehen,
von einem flüssigen
Medium, insbesondere Wasser durchströmt und über eine Rücklaufleitung 9 und
eine Vorlaufleitung 10 an ein Heizungs- und/oder Warmwassersystem
(beide nicht gezeigt) angeschlossen ist.
-
Die
Vorrichtung enthält
ferner ein erstes, vom Absorptions- und Speicherkörper 3 zum
Wärmespeicherblock 6 führendes
Wärmetransportelement 11a und
ein zweites, vom Wärmespeicherblock 6 zum
Wärmeverbraucher 7 führendes
Wärmetransportelement 11b.
Erfindungsgemäß sind beide
Wärmetransportelemente 11a und 11b als
Bestandteile eines einstückigen
Bauteils 11 ausgebildet oder zu einem solchen verbunden,
das zwischen dem Solarkollektor 1 und dem Wärmeverbraucher 7 bzw.
einem unmittelbar beim Wärmeverbraucher 7 angeordneten Wärmeübertragungsmittel 12 eine
direkte, wärmeleitende
Verbindung herstellt, den Wärmespeicherblock 6 durchragt,
mit diesem wärmeleitend
verbunden ist und aus einem Material wie z. B. Kupfer hergestellt ist,
das eine im Vergleich zum Material des Wärmespeicherblocks 6 deutlich
höhere
Wärmeleitung
aufweist. Verlaufen Teilstücke
des Bauteils 11 au ßerhalb des
Solarkollektors 1, des Wärmespeichers 4 oder des
Wärmeverbrauchers 7,
so sind diese Teilstücke von
einer Wärmedämmung 15 umschlossen.
Außerdem
ist das Bauteil 11 mit die Wärmeaustauschfläche vergrößernden,
im Absorptions- und Speicherkörper 3 und
im Wärmespeicherblock 6 angeordneten
Wärmeleitkörpern 13 und 14 versehen.
Das Wärmeübertragungsmittel 12 kann
ebenfalls als ein solcher Wärmeleitkörper ausgebildet
sein und mit dem Wärmeaustauscher
des Wärmeverbrauchers 7 wechselwirken.
Die Wärmeleitkörper 13, 14 und
das Wärmeübertragungsmittel 12 bestehen
vorzugswiese aus einem Stück
mit dem Bauteil 11 und aus demselben Material wie dieses.
-
Zwischen
dem Wärmespeicher 4 und
dem Wärmeübertragungsmittel 12 ist
eine Steuereinrichtung 16 angeordnet, an die eine Temperaturmesseinrichtung 17 angeschlossen
ist, welche z. B. die Temperatur eines den Wärmeaustauscher des Wärmeverbrauchers 7 durchströmenden Mediums
misst. Die Steuereinrichtung 16 dient zur Steuerung des Wärmetransports
mit dem Wärmetransportelements 11b des
Bauteils 11 zwischen dem Wärmespeicher 4 und
dem Wärmeverbraucher 7 und
enthält
im einfachsten Fall z. B. einen das Wärmetransportelement 11b unterbrechenden
Schalter. Mit dem Bezugszeichen 18 ist eine bekannte Sicherheitseinrichtung
zur Abfuhr überschüssiger Wärme bezeichnet.
-
Im
folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben,
wobei der Vorgang der Umwandlung von solarer Strahlung in Wärme mittels
Absorptionsflächen
und die hierfür
erforderlichen, physikalischen Grundlagen als dem Fachmann bekannt
vorausgesetzt und daher nicht gesondert beschrieben werden.
-
Solare
Strahlung trifft durch die nicht gezeigte, transparente Abdeckung
des Solarkollektors 1 auf dessen Absorptions- und Speicherkörper 3 auf
und erwärmt
diesen. Aufgrund der wärmeleitenden
Verbindung des Absorptions- und Speicherkörpers 3 mit dem Wärmeleitkörper 14 und
dem Bauteil 11 erwärmen
sich diese ebenfalls. Für
den Weitertransport der Wärme
gibt es nun im wesentlichen zwei Möglichkeiten.
-
Die
erste Möglichkeit
besteht darin, dass die von der Temperaturmeßeinrichtung 17 gemessene Temperatur
unterhalb eines bestimmten, vorwählbaren,
vom Wärmeverbraucher 7 aktuell
benötigten Wertes
liegt, wobei es sich z. B. um ein den Wärmeaustauscher des Wärmeverbrauchers 7 durchströmendes Wärmeträgermedium,
z. B. Wasser, handeln kann, das gleichzeitig auch die Temperatur
des Wärmespeicherblocks 6 unterhalb
dieses Wertes liegt und dass vom Solarkollektor 1 Wärme mit
einer oberhalb dieses Wertes liegenden Temperatur produziert wird.
In diesem Fall ist die Steuereinrichtung 16 auf Durchlass
geschaltet, d. h. das Wärmetransportelement 11b ist
nicht unterbrochen bzw. in vollem Umfang leitend. Aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit
des Bauteils 11 im Vergleich zur geringeren Wärmeleitfähigkeit
des Wärmespeicherblocks 6 wird
die vom Solarkollektor 1 gelieferte Wärme daher bevorzugt durch den
Wärmespeicherblock 6 hindurch,
vergleichbar mit einem "Wärmetunnel", geleitet und gelangt über das
Wärmeübertragungsmittel 12 direkt zum
Wärmeverbraucher 7,
wo sie z. B. mit dem dort vorhandenen Wärmeaustauscher wechselwirkt
und das diesen durchströmende
Wärmeträgermedium
direkt und ohne Verzögerung
erwärmt.
Befindet sich zu diesem Zeitpunkt dagegen der Wärmespeicherblock 6 auf
einer ausreichend hohen Temperatur, dann kann auch ein Wärmetransport
von Wärmspeicher 4 zum
Wärmeverbraucher 7 durch
das Wärmetransportelement 11b stattfinden.
Dieser Wärmetransport kann
parallel zu dem vom Solarkollektor 1 bewirkten Wärmetransport
oder, wenn dieser nicht ausreichend aktiv ist, auch ohne Mitwirkung
des Solarkollektors 1 erfolgen. In analoger Weise können der
Solarkollektor 1 und der Wärmespeicher 4 natürlich auch
dann zur Erwärmung
des Wärmeübertragungsmittels 12 beitragen,
wenn sich beide auf einer niedrigeren Temperatur als der vom Wärmeverbraucher 7 geforderten
Temperatur befinden.
-
Die
zweite Möglichkeit
besteht darin, daß die von
der Temperaturmeßeinrichtung 17 gemessene Temperatur
oberhalb einer vom Wärmeverbraucher 7 geforderten
Temperatur von z. B. 60 °C
liegt. In diesem Fall befindet sich die Steuereinrichtung 16 in
einem Sperrzustand, in dem das Wärmetransportmittel 11b ganz
oder teilweise unterbrochen bzw. für die Wärme nichtleitend ist. Als Folge
dessen findet ein Wärmetransport
mittels des Wärmetransportelements 11b und
damit eine weitere Erwärmung
des Wärmeträgermediums
im Wärmeaustauscher
des Wärmeverbrauchers 7 nicht
statt. Während
dieser Zeit kann jedoch der Wärmespeicherblock 6 über das Wärmetransportelement 11a immer
dann, wenn vom Solarkollektor 1 ausreichend Wärme erzeugt
wird, mit Wärmeenergie
versorgt werden, die dann im Wärmespeicherblock 6 gespeichert
wird und für
Zeiträume
zur Verfügung
steht, in denen kein oder kein ausreichendes Solarstrahlungsangebot
vorhanden ist. Sinkt die Temperatur des Wärmeträgermediums beim Wärmeverbraucher 7,
beispielsweise infolge einer Wärmeabnahme
durch ein angeschlossenes Heizungssystem, wieder unter den vorwählbaren Wert
von z. B. 60 °C
ab, dann schaltet das Steuerorgan 16 das Wärmetransportelement 11b wieder
in einen geschlossenen Zustand, so dass erneut ein Wärmtransport über das
Wärmeleitelement 11b möglich ist
und somit eine Erwärmung
des Wärmeträgermediums
im Wärmeaustauscher
wahlweise vom Wärmespeicherblock 6 oder
direkt vom Solarkollektor 1 aus erfolgt.
-
Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das
auf vielfache Weise abgewandelt werden kann. So kann es sich bei
dem Solarkollektor 1 auch um einen Solarkollektor ohne
nennenswerte Speicherfunktion, einen Vakuum-Röhrenkollektor
oder einen aus einer Vielzahl von Solarkollektormodulen bestehenden
Solarkollektor handeln. Der oder die Solarkollektoren können Mittel
zur Konzentration von Solarstrahlung auf die Absorberfläche, beispielsweise
Spiegel- oder Linsenanordnungen, aufweisen. Für den Absorptions- und Speicherkörper 3 des
Solarkollektors 1 und den Wärmespeicherblock 6 des
Wärmespeichers 4 können neben
den genannten Materilaien auch andere Materialien oder Materialkombinationen
zur Anwendung kommen. Entscheidend für die Materialauswahl ist lediglich,
dass der Wärmespeicherblock 6 des
Wärmespeichers 4 ein
hohes Wärmespeichervermögen und
eine geringere Wärmeleitfähigkeit
als das Bauteil 11 aufweist. Weiter kann die beschriebene
Funktion der Vorrichtung auch mit Hilfe eines weiteren Wärmetransportelements 19 in
Form eines Kupferstabs od. dgl. erreicht werden, das z. B. nach
Art einer Bypassleitung am Wärmespeicher 4 vorbei
zwischen den Solarkollektor 1 und den von der Steuereinrichtung 16 beeinflußbaren Teil
des Wärmetransportelements 11b geschaltet
ist und eine direkte wärmeleitende Verbindung
zwischen dem Absorptions- und Speicherkör per 3 und dem Wärmeübertragungsmittel 12 ermöglicht.
Auch in diesem Fall kann bei eingeschalteter Steuereinrichtung 16 ein
direkter Wärmetransport
vom Solarkollektor 1 zum Wärmeverbraucher 7 unter
Umgehung des Wärmespeichers 4 erfolgen, der
allerdings parallel dazu über
das Wärmetransportelement 11a mit
Wärme versorgt
werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel
könnte
das Bauteil 11 sogar an einer im Wärmespeicherblock 6 liegenden Stelle
eine Unterbrechung aufweisen, da diese einen direkten Wärmetransport
zum Wärmeverbraucher 7 weder
vom Solarkollektor 1 noch vom Wärmespeicher 4 aus
beeinträchtigen
würde.
Schließlich
versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als
den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden
können.