DE202007018013U1

DE202007018013U1 - Solarpumpe

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Publication number: DE202007018013U1
Application number: DE202007018013U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-22
Filing date: 2007-12-22
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2017-12-23
Also published as: DE102008055094A1

Abstract

Solarpumpe zum Temperieren eines Fluides durch Sonnenenergie in einem kreisenden Umlauf, in die ein Kollektorbehälter eingeordnet ist, in dem das Fluid aus dem Kollektorbehälter gelangend, seine Wärme abgibt und abgekühlt in den Kollektorbehälter zurückfließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektorbehälter als Sonnenkollektorbehälter (1) zum Temperieren des Fluides bis zum Sieden ausgebildet und mit einem Wärmeübertrager, als Kondensator (3) über eine ringförmige Leitung (17; 18) für einen kreisenden Umlauf des Fluides verbunden sind, wobei in der Rohrleitung (17) ein Verdichter (2) vorgesehen und in der Rohrleitung (18) ein Ventil (4) eingeordnet sind und das Fluid, den Sonnenkollektorbehälter (1) durchströmend, über einen Kompaktkörper (1') des Sonnenkollektorbehälters (1) geleitet ist, der eine Seite des Sonnenkollektorbehälters (1) ausbildend, mit seiner Außenfläche (14) einer Energiequelle (10) zugerichtet ist und über seiner Innenfläche im Sonnenkollektorbehälter (1) ein flacher Fluidraum (6) gebildet ist, von dem mindestens eine Seite mit Mikrostrukturen ausgerüstet ist, durch den das Fluid zu einem...

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarpumpe zum Temperieren eines Fluides in einem kreisenden Umlauf durch Sonnenergie, die mit einem Kollektorbehälter verbunden ist, in dem das Fluid aus dem Kollektorbehälter gelangend, seine Wärme abgibt und abgekühlt in den Kollektorbehälter zurückfließt.
Es ist bekannt Sonnenenergie über einen Kollektor aufzunehmen, Fluide zu erwärmen und mittels Wärmeübertragung deren Energie auf weitere Medien oder Verbraucher zu übertragen und einer Benutzung zuzuführen. Die Sonnenkollektoren haben dabei die Aufgabe, die Sonnenenergie weitestgehend verlustfrei und intensiv aufzunehmen und auf ein die Wärme transportierendes Medium zu übertragen. Die bekannten Sonnenkollektoren haben dabei unterschiedliche Formen. Sie können als Parabolspiegel mit focussierender Wärmeaufnahme oder auch als ebenflächige Einrichtung mit einem Wärmedurchgang ausgebildet sein. Es ist jedoch zu verzeichnen, dass sowohl die Aufnahme der Wärmeenergie in den Sonnenkollektoren als auch deren Abgabe nicht in ausreichendem Maße erfolgen kann. Bei allen bekannten Einrichtungen ist die Übertragung der Wärmeenergie auf das Transportmedium nur unzureichend und mit hohen Wärmeverlusten behaftet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarpumpe zum Temperieren eines Fluides durch Sonnenenergie in einem kreisenden Umlauf, die mit einem Kollektorbehälter verbunden ist, in dem das Fluid aus dem Kollektorbehälter gelangend, seine Wärme abgibt und abgekühlt in den Kollektorbehälter zurückfließt zu schaffen, mit dem die Sonnenenergie in hohem Grade aufgenommen und mit großer Intensität und geringem Wärmeverlust auf das Fluid übertragen werden kann.
Die Erfindung löst die Aufgabe, durch eine Solarpumpe mit einem Sonnenkollektorbehälter, der mit einem Wärmeübertrager verbunden ist, aus dem das seine Wärmeenergie abgebende Fluid kreislaufförmig durch eine Rohrverbindung wieder in den Sonnenkollektorbehälter zurückfließt. In die Verbindungsleitung zwischen Sonnenkollektorbehälter und Wärmeübertrager kann vorteilhafterweise ein Verdichter angeordnet sein, der den Dampf des in dem Sonnenkollektorbehälter siedenden Mediums verdichtet in den Wärmeübertrager einleitet. Der Kreislauf innerhalb der Solarpumpe kann durch einen dem Expansionsventil nachgeordneten Kondensator geregelt werden, wa zu einer Entspannung des kreisenden Mediums vor Eintritt in den Sonnenkollektorbehälter führt. Der Sonnenkollektorbehälter besteht erfindungsgemäß aus einem flachen, großflächigen Körper, dessen eine größere Seite mit einem Kompaktkörper verbunden ist, über dem im Sonnenkollektorbehälter ein Raum vorhanden ist, durch den das aus dem Wärmeübertrager kommende Medium fließt. Der über dem Kompaktkörper vorhandene Raum erstreckt sich über den gesamten Behälter und ist in einem geringen Abstand dazu angeordnet. Auf mindestens einer Fläche des Kompaktkörpers, vordringlich auf der inneren, dem Fluidraum zugerichteten Fläche, sind Mikrostrukturen angeordnet, in deren Mikropixeln sich den Siedevorgang erhöhend, vermehrt und intensiv, Dampfblasen bilden. Durch diesen Vorgang wird eine intensive Übertragung der Wärmeenergie in Form des Strömungssiedens beim Sieden des Fluides ermöglicht. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung ist vorteilhafterweise der Kompaktkörper aus Kupfer gebildet, dessen Eigenschaften einen hohen Grad der Energieübertragung sichern. Die Erfindung ist vorteilhaft ausgebildet, wenn die der Sonneneinstrahlung entgegen gerichtete Fläche des Kompaktkörpers im Sonnenkollektorbehälter mit einer hochabsorbierenden schwarzen Oberfläche bedeckt ist, damit eine Reflektion der Energiestrahlen weitestgehend unterbunden wird. In einer anderen gleichfalls erfinderischen Ausführung kann die der Sonneneinstrahlung entgegen gerichtete Fläche des Kompaktkörpers mit einer ähnlichen Wirkung, jedoch mit solchen Mikrostrukturen ausgerüstet sein, wie die dem Fluid entgegen gerichtete Innenseite des Körpers. Die Erfindung ist weiter ausgeformt, wenn die Übertragerrohre des Kondensators mit sinoidalen Nebenformen strukturiert sind und die Erfindung weiter ausfüllend ist es vorteilhaft, wenn die Rohre dieser Art zusätzlich auf ihren Außenflächen mit Mikrostrukturen versehen sind. Die erfindungsgemäße Lösung weist einen hohen Innovationswert auf. Die Ausrüstung des Kompaktkörpers, mit dem die Sonnenenergie aufgefangen und in den Innenraum des Sonnenkollektorbehälters übertragen wird, mit Mikrostrukturen und das in einer dünnen Schicht gebildete, durch den engen Durchflussspalt im Fluidraum des Sonnenkollektorbehälters bewegte Fluid initiiert eine beschleunigte Blasenbildung im Siedevorgang und eine äußerst hohe Wärmeausbeute. Die Ausbildung des Kreislaufes des Fluides in der Solarpumpe gewährleistet, dass das Fluid über der Mikrostruktur des Sonnenkollektorbehälters zum Sieden gebracht wird und für den entstehenden Dampf ein hohes Temperaturniveau erreicht werden kann. Durch die Konzentration des Siedevorganges im Strömungssieden im engen Durchflussspalt des Fluidraumes des Sonnenkollektorbehälters ist eine relativ niedrige Betriebstemperatur und eine Verringerung von Streuverlusten zu verzeichnen. Durch eine flache Bauform des Sonnenkollektorbehälters ist die Verwendung eines Spezialfluides vorteilhaft. Das Sieden, in Form des Strömungssiedens durchgeführt, erlaubt bei Siedetemperaturen von bereits 15°C im Fluidraum des Sonnenkollektorbehälters mit den Mikrostrukturen eine annähernd hundertprozentige Dampfbildung. Es ist jetzt vorteilhaft möglich, im Fluidraum die Siedetemperatur bei 15°C einzustellen und beim Erhalten einer Mehrtemperatur von 5°C unter Anwendung der Mikrostruktur eine Gebrauchstemperatur von 20°C zu erhalten. Damit ist bei einer Lufttemperatur im Bereich der Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektorbehälter von 20°C ein Gleichgewicht mit der Lufttemperatur hergestellt. Die Energiebilanz der Solarpumpe ist erfindungsgemäß damit ausgefüllt, dass die auf den Sonnenkollektor einwirkende Sonnenenergie einen Energiegehalt von 10 KW aufweist. Der erzeugte Dampf wird mit einem Verdichter komprimiert und auf eine gewünschte Kondensationstemperatur von 60°C gebracht. Vorteilhafterweise kann der Verdichter ebenfalls durch Sonnenenergie betrieben werden, so dass bei einem Verbrauch von 3 KW des Verdichters eine Energiebilanz von 13 KW zu verzeichnen ist, wenn über den Kondensator eine Wärme von 60°C ausgetragen und Verbrauchern zugeführt werden kann.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1: Eine Solarpumpe in einer schematischen Darstellung mit hervorgehobenem Sonnenkollektorbehälter.
2: Einen Sonnenkollektorbehälter in einer Seitenansicht schematisch im Schnitt.
3: Einen vergrößerten Ausschnitt der auf dem Kompaktkörper aufgebrachten Mikrostruktur mit eingebetteten Siedeblasen.
1 zeigt eine Solarpumpe 0 in einer schematisch flächig gebildeten Darstellung für eine kreislaufförmige Funktion der Solarpumpe 0. Einem Sonnenkollektorbehälter 1 ist ein Rohr 17 zugeordnet, das den Kollektorbehälter 1 mit einem Wärmeübertrager, funktionsbedingt als Kondensator 3 ausgebildet, verbindet. Der Kondensator 3 ist mit einem ausgehenden Rohr 18 versehen, das mit dem Sonnenkollektorbehälter 1 in Verbindung gebracht ist. Zwischen dem Sonnenkollektorbehälter 1 und dem Kondensator 3 ist ein Verdichter 2 eingeordnet und dem Kondensator 3 nachgeordnet ist ein Expansionsventil 4 eingefügt. Die durch Rohrleitungen hergestellte Kreislaufanordnung ist mit einem Spezialfluid aufgefüllt. Das Fluid gelangt in seinem Kreislauf in den Sonnenkollektorbehälter 1, wird darin mit minimalem Energieaufwand über ein Strömungssieden im Sonnenkollektorbehälter 1 zum Sieden gebracht, mittels des Verdichters 2 komprimiert und nach Erreichen einer gewünschten Kondensationstemperatur von beispielsweise 60°C gebracht, dem Kondensator 3 zugeleitet. Nach Übertragung der Wärmeenergie im Kondensator 3 auf ein Brauchmedium verläßt das Fluid, noch teilweise dampfförmig, den Kondensator 3, wird in einem Expansionsventil entspannt und gelangt wieder in den Sonnenkollektorbehälter 1 zurück.
Der Sonnenkollektorbehälter 1 nach 2 ist aus einem flachen, vorzugsweise langgestreckten Behälter geformt, dessen eine größere Seite aus einem Kompaktkörper 1' gebildet ist, der beispielhafterweise aus Kupfer (Cu) bestehen kann. Zwischen der Innenseite 15 des Kompaktkörpers 1' und der den Sonnenkollektorbehälters 1 bedeckenden Seite ist ein flacher, allseitig umschlossender Fluidraum 6 gebildet, der an zwei Seiten sich gegenüberliegend einen Einlass 9 und einen Auslass 8 aufweist, die jeweils mit den Rohren 17; 18 verbunden sind, durch die das Fluid am Einlass 9 in den Kollektorbehälter 1 gelangt, durch dessen flachen Fluidraum 6 fließt und am Auslass 8 den Kollektorbehälter 1 als Dampf für die Zuführung in den Kondensator 3 verläßt. Auf der dem umschlossenden Fluidraum 6 zugerichteten Fläche des Kompaktkörpers 1' sind Mikrostrukturen 5 aufgebracht. Die der Sonnenenergie entgegen gestellte äußere Flache 14 des Kompaktkörpers 1' ist ausführungsgemäß mit einer hochabsorbierenden schwarzen Beschichtung 7 versehen, um störende Reflektionen und Energieverluste auszuschalten. Durch den Kompaktkörper 1' wird die aufgenommene Sonnenenergie in den Fluidraum 6 des Sonnenkollektorbehälters 1 übertragen. Das Spezialfluid strömt, im Fluidraum 6 in eine dünne Schicht gebracht, über die Mikrostrukturen 5 und wird im Rahmen des bekannten Verfahrens eines Strömungssiedens intensiv bis zum Sieden temperiert. Die Mikrostrukturen 5 erlauben es, das mit einer geringen Dicke der flächigen Erstreckung über die Mikrostruktur 5 strömende Fluid mit einer hohen Ausnutzung der Sonnenenergie so zu erwärmen, dass sich frühzeitig, durch das erzeugte Strömungssieden, ein Siedevorgang einstellt. Die Ausnutzung der Sonnenenergie wird dadurch erhöht, dass die der Innenfläche entgegen gesetzte, äußere, der Sonneneinstrahlung zugerichtete Fläche 7, mit hochabsorbierendem schwarzem Material bedeckt ist. Beispielhaft ist es auch möglich, anstatt der Absorbtionsschicht 7 eine Mikrostrukturierung 5 aufzuarbeiten. Hier hat die Mikrostruktur 5 einen hohen Diffusionseffekt, verhindert durch die Strahlungsumlenkung Reflektionen und gewährleistet, dass die Sonnenenergie mit hohem Effekt auf das Fluid übertragen werden kann. Der in 1 vorgestellte Kondensator 3 verfügt über Ein- und Auslässe, mit Richtungspfeilen 11; 12 markiert für das Fluid, wobei über den Einlass 11 der Dampf über den Verdichter 2 aus dem Sonnenkollektorbehälter 1 in den Kondensator 3 gelangt und über dessen Wärmeübertragerrohre 16 auf ein Brauchmedium übertragen wird. Die Wärmeübertragerrohre 16 sind als Strukturrohre mit sinoidalen Nebenformen ausgerüstet. In einer bespielhaften Ausbildung können die Wärmeübertragerrohre 16 mit sinoidalen Nebenformen und zusätzlich mit einer darauf aufgetragenen Mikrostrukturierung 5 ausgebildet sein. Das Brauchmedium verläßt nach Übertragung der Wärme den Kondensator 3 mit einer Temperatur von 60°C über den Auslass 12.
3 zeigt in einer Einzelheit x aus 2 den stark vergrößerten Ausschnitt einer Mikrostruktur 5. Gemäß dem Vorgang des bekannten Verfahrens des Strömungssiedens folgend, werden in den Zwischenräumen der Mikrostruktur 5 vorzeitig Dampfblasen 13 ausgebildet, die unterschiedliche Formen aufweisen und ein schnelles Sieden beim Überströmen der Mikrostruktur gewährleisten. Wie bereits vorstehend interpretiert, überfließt das Fluid die Mikrostruktur 5 in einer Schicht mit äußerst geringer Mächtigkeit seiner Dicke, jedoch großer Flächenerstreckung und gelangt unter Bildung von Dampfblasen dadurch schnell zum Sieden bei niedrigen Siedetemperaturen.

0: Solarpumpe
1: Sonnenkollektorbehälter
1': Kompaktkörper
2: Verdichter
3: Kondensator
4: Ventil
5: Mikrostruktur
6: Fluidraum
7: Absorbtionsschicht
8: Auslass
9: Einlass
10: Energiequelle
11; 12: Richtungspfleile
13: Siedeblasen
14: Außenfläche
15: Innenfläche
16: Strukturrrohr
17; 18: Rohr

Claims

Solarpumpe zum Temperieren eines Fluides durch Sonnenenergie in einem kreisenden Umlauf, in die ein Kollektorbehälter eingeordnet ist, in dem das Fluid aus dem Kollektorbehälter gelangend, seine Wärme abgibt und abgekühlt in den Kollektorbehälter zurückfließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektorbehälter als Sonnenkollektorbehälter (1) zum Temperieren des Fluides bis zum Sieden ausgebildet und mit einem Wärmeübertrager, als Kondensator (3) über eine ringförmige Leitung (17; 18) für einen kreisenden Umlauf des Fluides verbunden sind, wobei in der Rohrleitung (17) ein Verdichter (2) vorgesehen und in der Rohrleitung (18) ein Ventil (4) eingeordnet sind und das Fluid, den Sonnenkollektorbehälter (1) durchströmend, über einen Kompaktkörper (1') des Sonnenkollektorbehälters (1) geleitet ist, der eine Seite des Sonnenkollektorbehälters (1) ausbildend, mit seiner Außenfläche (14) einer Energiequelle (10) zugerichtet ist und über seiner Innenfläche im Sonnenkollektorbehälter (1) ein flacher Fluidraum (6) gebildet ist, von dem mindestens eine Seite mit Mikrostrukturen ausgerüstet ist, durch den das Fluid zu einem flachen Fließprofil geformt, die Mikrostruktur (5) überströmt und zum Sieden gebracht ist.
Solarpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenkollektorbehälter (1) eine flache Bauform aufweist und der umschlossene Fluidraum (6) über dem Kompaktkörper (1'), das Fluid zu einem flachen Strömungsquerschnitt ausgeformt, über den Kompaktkörper (1') flächig geleitet, mit der Mikrostruktur (5) für ein Strömungssieden in Verbindung gebracht ist.
Solarpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Fluidraumes (6) mit Mikrostrukturen (5) bedeckt sind.
Solarpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Kondensators (3) als strukturierte Wärmeübertragerrohre (16) ausgebildet sind.
Solarpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Kondensators (3) als strukturierte Wärmeübertragerrohre (16) mit sinoidalen Nebenformen ausgerüstet, ausgebildet sind.
Solarpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Kondensators (3) als strukturierte Wärmeübertragerrohre (16) mit Mikrostrukturen (5) ausgerüstet sind.
Solarpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Kondensators (3) als strukturierte Wärmeübertragerrohre (16) mit sinoidalen Nebenformen und Mikrostrukturen (5) ausgerüstet sind.
Solarpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (14) des Kompaktkörpers (1') des Sonnenkollektorbehälters (1) mit einer hochabsorbierenden Oberfläche (7) überzogen ist.
Solarpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hochabsorbierende Oberfläche (7) aus einer Aluminiumoxidschicht gebildet ist.
Solarpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (14) des Kompaktkörpers (1') des Sonnenkollektorbehälters (1) mit Mikrostrukturen (5) bedeckt ist.
Solarpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompaktkörper (1') des Sonnenkollektorbehälters (1) aus hochleitfähigem Material ausgebildet ist.
Solarpumpe nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das hochleitfähige Material des Kompaktkörpers (1') des Sonnenkollektorbehälters (1) aus Kupfer gebildet und mit einer wirksamen Mächtigkeit seiner Dickendimensionierung vorgesehen ist.