DE202012001589U1

DE202012001589U1 - Thermischer Solarkollektor mit Temperaturbegrenzung

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Publication number: DE202012001589U1
Application number: DE202012001589U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2012-06-15
Anticipated expiration: 2022-02-17
Also published as: DE102012008877A1

Abstract

Solarkollektor, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlte Sonnenenergie durch ein Rollo begrenzt wird, das durch einen integrierten Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann.

Description

Ein thermischer Solarkollektor ist eine Vorrichtung zur Sammlung der im Sonnenlicht enthaltenen Energie. Er besteht aus einem etwa 10 cm hohen Kasten mit einer Fläche von ca. 2 m², der mit einer oder mehreren Glasscheiben abgedeckt ist. Durch etwa 5 mm dicke Röhren im Kollektor fliesst ein Übertragungsmedium, im Folgenden kurz Medium genannt, das dabei aufgeheizt wird; es überträgt seine Wärme über einen spiralförmigen Austauscher in einen Speicher. Der Speicher besteht aus einem isolierten Wasserkessel von einigen 100 l Inhalt. Eine Anlage zur Gewinnung thermischer Energie besteht somit aus dem Kollektor, dem Speicher und einer Steuereinheit. Einzelheiten dazu findet man im Internet auf den Websites der Hersteller oder unter
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor
Das Medium besteht üblicherweise aus einem Gemisch von Wasser und Glykol; letzteres dient dem Frostschutz. Da die Verdampfungstemperatur dieses Mediums ca. 120 Grad Celsius beträgt muss die Anlage abgeschaltet werden sobald diese Temperatur im Kollektor erreicht ist. Dieser sogenannte Stillstand ist die Ursache für zahlreiche Probleme mit thermischen Solaranlagen und ist Gegenstand intensiver Untersuchungen wie z. B. am Fraunhofer Institut für Solarenergie in Freiburg:
http://www.ise.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder-und-marktbereiche/solarthermie/thermische-solaranlagen/projekte/experimentelle-untersuchungen-zum-stillstandsverhalten-von-thermischen-solaranlagen
Um die Anlage stabil zu betreiben muss das Verdampfen des Mediums und damit der Stillstand der Anlage möglichst vermieden werden. Das wird teilweise dadurch erreicht, dass der Kollektor im Verhältnis zum Speicher nicht zu gross ist. Das hat jedoch zur Folge, dass sich der Energieertrag erheblich verringert. Die Hersteller kommerzieller Anlagen geben einen möglichen Deckungsgrad von ca. 60% für die Warmwassererzeugung und ca. 25–30% für die Heizungsunterstützung an.
Um alle Probleme mit dem Stillstand einer Anlage und dem damit verbundenen reduzierten Ertrag zu vermeiden wird vorgeschlagen, die Begrenzung der Kollektortemperatur durch Abdeckung des Kollektors mit einer Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo zu erreichen, wie sie z. B. zur Verdunklung von Dachfenstern verwendet werden. Die Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo und elektrischem Antrieb ist hermetisch abgeschlossen und daher völlig unabhängig von Wettereinflüssen. Das Material, aus dem das Rollo besteht, wird so gewählt, dass die Kollektortemperatur im ungekühlten Zustand und bei maximaler Sonneneinstrahlung bei geschlossenem Rollo unterhalb der Verdampfungstemperatur des Mediums bleibt. Jeder einzelne Kollektor hat einen Temperaturfühler; sein Rollo wird immer dann geschlossen bevor die Siedetemperatur erreicht ist. Der Aufbau ist schematisch in Zeichnung 1 gezeigt.
Die Steuerung der gesamten Anlage kann folgendermassen erfolgen. Eine Anzahl Kollektoren ist kaskadenförmig angeordnet, das Medium durchströmt der Reihe nach alle Kollektoren wie in Zeichnung 2 gezeigt. In jedem Kollektor wird es um einen bestimmten Betrag erwärmt. Solange es beim Austritt aus dem letzten Kollektor noch nicht 120 Grad Celsius erreicht hat sind alle Kollektoren offen. Nach einiger Zeit mit Sonnenschein hat sich die Temperatur im Speicher erhöht und das Medium tritt mit höherer Temperatur in den ersten Kollektor ein. Dadurch hat es schon eine Temperatur von 120 Grad Celsius bevor es den letzten Kollektor erreicht. Der erste Kollektor, in dem 120 Grad erreicht sind und alle nachfolgenden werden geschlossen so dass sich die Temperatur nicht weiter erhöht und unterhalb der Siedetemperatur bleibt. Geht die Temperatur des Mediums aufgrund von Verbrauch oder geringerer Sonneneinstrahlung zurück werden die Kollektoren sukkessive wieder geöffnet. Die Gesamtzahl der Kollektoren in einer solchen Anlage ist damit beliebig.
An folgendem konkreten Beispiel soll der Vorteil einer solchen Anlage quantitativ erläutert werden. Eine Anlage bestehe aus einem Speicher von 300 l und Kollektoren von insgesamt 4 m². An einem Tag mit guter Sonneneinstrahlung wird dadurch eine Maximaltemperatur im Speicher von ca. 65 Grad Celsius erreicht; die maximale Temperatur in den Kollektoren im Laufe des Tages erreicht ca. 100 Grad Celsius. Bei einer Einströmtemperatur des Wassers von ca. 15 Grad Celsius hat man dadurch ca. 15 kWh thermischer Energie gewonnen.
Vergrössert man die Kollektorfläche auf 6 m² bei ansonsten gleicher Konfiguration der Anlage erreicht die Kollektortemperatur an einem sonnigen Tag schnell 120 Grad und die Anlage schaltet sich ab, oft für den Rest des Tages; im ungünstigsten Fall erzielt man fast keinen Energieertrag. Schaltet man die Anlage von Automatic-Betrieb auf Hand-Betrieb kann man durch geschicktes Ausnützen von wolkigen Abschnitten das Verhalten eines Kollektors mit einem Rollo simulieren. Sobald nach dem Durchzug einer Wolke die Kollekturtemperatur unter 120 Grad fällt schaltet man den Umlauf des Mediums sofort wieder ein; dadurch kann man eine Speichertemperatur von 85 Grad Celsius oder mehr erreichen, d. h. eine Temperaturdifferenz von etwa 70 Grad Celsius entsprechend einem Gewinn von ca. 20 kWh. Der Energieertrag ist also ca. 30% höher als bei einer Kollektorfläche von nur 4 m².
In der sonnenarmen Jahreszeit erzielt man mit 4 m² Kollektorfläche nur ca. 50 Grad Speichertemperatur, während sich mit 6 m² ca. 70 Grad erreichen lassen. Dadurch, dass die Anzahl der Kollektoren mit Temperaturbegrenzung nicht durch das Überhitzungsproblem begrenzt ist, liessen sich auch in grösseren Speichern hohe Temperaturen erreichen, die den Ertrag bei Heizungsunterstützung deutlich verbessern würden.
Der Betrieb eines Kollektors mit Temperaturbegrenzung ist völlig unabhängig von den anderen Komponenten einer Solaranlage, insbesondere von der zentralen Steuereinheit. Das heisst, in bereits vorhandenen Anlagen liesse sich nur durch Austausch der Kollektoren und Vergrösserung ihrer Anzahl der Ertrag erheblich steigern.
Erläuterungen zu Zeichnung 1. Das Bild zeigt einen Querschnitt durch einen Kollektor mit Temperaturbegrenzung. Die dicken Linien
stellen das Kollektorgehäuse dar, die Kreise den Querschnitt der Rohre, durch die das Übertragungsmedium fliesst. Rechts und links sind die Anschlüsse für Vor- und Rücklauf. Der Kollektor ist oben durch eine Doppelglasscheibe abgedeckt. Darin befindet sich das Rollo, das durch die gestrichelte Linie --- angezeigt wird; die Vorrichtung zur Aufwicklung des Rollos mit integriertem Rohrmotor wir durch • angezeigt; * bedeutet den Temperaturfühler.
Erläuterungen zu Zeichnung 2. Kaskadenförmige Anordnung der Kollektoren 1, ... n, n beliebig. Die Vorlauftemperatur T₀ erhöht sich schrittweise, T₀ < T₁ < T₂ ... T_k < T_k+1 ... T_n. Sobald T_k die Siedetemperatur erreicht hat werden die Kollektoren k, k + 1 ... n geschlossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor [0001]
http://www.ise.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder-und-marktbereiche/solarthermie/thermische-solaranlagen/projekte/experimentelle-untersuchungen-zum-stillstandsverhalten-von-thermischen-solaranlagen [0002]

Claims

Solarkollektor, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlte Sonnenenergie durch ein Rollo begrenzt wird, das durch einen integrierten Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schliessen durch einen Temperaturfühler in dem Kollektor gesteuert wird.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur in einem Kollektor auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollo aus einem solchen Material hergestellt ist, dass in geschlossenem Zustand bei maximaler Sonneneinstrahlung die Siedetemperatur des wärmeübertragenden Mediums nicht überschritten wird.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Solaranlage, die mit diesen Kollektoren ausgestattet ist, die bei der aktuellen Sonneneinstrahlung maximal erreichbare Temperatur des wärmeübertragenden Mediums unterhalb der Siedetemperatur erzielt.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch autonome Steuerung jedes einzelnen Kollektors der Einbau in vorhandene Solaranlagen möglich ist.