DE2717709A1 - Verfahren zum sammeln und langfristigen speichern der sonnenenergie - Google Patents

Verfahren zum sammeln und langfristigen speichern der sonnenenergie

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DE2717709A1
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BASF SE
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/10Solar heat collectors using working fluids the working fluids forming pools or ponds
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44Heat exchange systems

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Description

  • Verfahren zum Sammeln und langfristigen Speichern der
  • Sonnenenergie Im Zusammenhang mit der: befürchteten Energiernangel bzw. Verteuerung der Energierohstoffe werden heute mit beachtlichem Aufwand Sammler für Sonnenenergie entwickelt, die allerdings in höheren Breiten nicht zur Heizung eingesetzt werden können. Die heute bekannten Entwicklungen erzeugen meist warmes Wasser im Sonr.ier, dessen Wärmeinhalt jedoch nicht sinnvoll genutzt werden kann. Die hierfür nötige Speicherung von wärme über Monate als Voraussetzung sinnvoller lJutzung in unserer geografischen Breite schien auf absehbare Zeit technisch und wirtschaftlich nicht zufriedenstellend realisierbar ("Bandelsblatt" vom 26O177, "Energie sparen im Ilaus mit Sonnenwarme" von B. Dietrich; 1,Techn. Rundschau Sulzer" 58, Nr. 4 (1976), Seiten 151 bis 153, "}weizen mit Sonnenenergie" von M. Caratsch, besonders Seiten 156 und 157).
  • Erste Vorschläge zur Lösung des Problems zur langfristigen Speicherung von Wärme sind die polar ponds ("Chemtech" (Okt 1975), 608 bis 616). Bei diesem bekannten Verfahren wird durch Überschichtung von Wasser, das durch Einfangen von Sonnenlicht erwärmt worden ist, mit einer Salzlösung, das erwärmte Wasser vor Wärmeverlust geschützt. Dabei werden die beiden Phasen durch eine lichtdurchlassige Folie getrennt. Hierbei entstehen jedoch Probleme bei der Aufrechterhaltung des Konzentrationsprofils der Salzlösung durch Diffusion. Um dieses Profil aufrechtzuerhalten, muß laufend konz. Salzlösung zugeführt und verdünnte Salzlösung verworfen bzw. aufkonzentriert werden. Dies sind Operationen mit Umweltbelastung und Energieverbrauch Es wurde nun gefunden, daß man Sonnenenergie nicht nur sammeln, sondern auch in einfacher Weise langfristig in Wasser in zwei getrennten und übereinander angeordneten Phasen speichern kann, wenn man die Sonnenstrahlung am Boden oder in der unteren Phase durch Absorption aufgefangen, das Wasser aufgeheizt wird und wobei die untere Wasserphase von der oberen durch eine lichtdurchlässige Folie oder Platte getrennt ist und die obere Wasserphase durch natürliche oder synthetische Polymere verdickt wird um die untere Wasserschicht nach oben hin lichtdurchlässig thermisch zu isolieren Die Absorption in der unteren Wasserschicht kann in einfacher Weise durch eine schwarze Folie am Boden der unteren Schicht und/ oder durch entsprechendes Einfärben des Wassers mit geeigneten Farbstoffen erfolgen, die im günstigen Spektralbereich absorbieren.
  • Besonders geeignet sind Farbstoffe die im Spektralbereich von 4 000 i bis 9 000 R absorbieren.
  • Die wäßrige Phase wird oberhalb der konvektiven Zone durch eine lichtdurchlässige Folie oder Platte mit einem Verdickungsmittel von der darüber befindlichen Wasserphase getrennt, so daß eine Konvektion in die isolierende Phase durch die stark erhöhte Viskosität derselben verhindert wird. Diese Phase kann man auch zur Sauberhaltung mit einer weiteren lichtdurchlässigen Folie gegen die Atmosphäre hin schützen. Die Oberseite dieser Folie oder Platte kann mit Wasser bzw. Regen gespült werden.
  • Als Verdickungsmittel für die obere isolierende Wasserphase können auch natürliche Polymere, z.B. Pektine, Agar-Agar, Gummiarabicum, Gelatine uswO, dienen. Man kann diese durch Zusatz von bioziden Stoffen wie Pentachlorphenol oder Kupfersalze vor biologischem Abbau schützen. Vorteilhaft verwendet man aber synthetische wasserlösliche Polymere, wie z.B. hochmolekulares Polyäthylenoxid oder neutralisierte Polyacrylsäure oder andere geeignete Polymere. Durch diese Stoffe kann man schon in Konzentrationen von etwas mehr als 1.000 ppm Wasser in einen galert-oder geleartigen Zustand überführen. Besonders geeignet ist das Ammoniumsalz von Polyacrylsäure.
  • Beispiel Eine praktische und besonders einfache Ausführungsform besteht darin, daß man z.B. eine Grube von 10 x 10 m und 6 m Tiefe aushebt, mit einer handelsüblichen Kunststoffolie, z.B. polyesterverstärktes schwarzes PVC, auskleidet und dann 500 m3 Leitungswasser einfüllt. Dieser Teich wird jetzt mit einer Zu- und Ableitung versehen und durch Einschweißen einer transparenten Kunststoffolie abgedeckt. Darüber werden dann 100 m3 einer vorgefertigten Lösung von 0,3 Gew.% Polyacrylsäure sehr hohen Molekulargewichts, die mit 0,3 Gew.% 25 %-iger wäßriger NH3-Lösung versetzt wurde, geschichtet.
  • Die mögliche Energiegewinnung und Speicherung soll folgende Rechnung auf zeigen: Bei 1 800 Sonnenstunden/Jahr, wie dies für Südwestdeutschland gilt, wird z.B. nach M. Caratsch (Techn. Rundschau Sulzer" 58, Nr. 4 (1976), Seiten 151 bis 157) für Zürich eine Einstrahlung von 1 312,8 kWh/m2. Jahr (Tabelle Seite 152) angegeben. Das entspricht einem Heizwert von n,l 106 kcal oder von 100 1 leichtem Heizöl bei einem Feuerungswirkungsgrad von 80 %.
  • Nimmt man an, daß dabei Wasser von 40 auf 1000C erwärmt wird, so sind dazu 16,6 m3 Wasser notwendig, um die im Jahr einfallende Energie zu speichern. Wie man aus der oben angeführten Tabelle leicht entnehmen kann, werden selbst in den Wintermonaten noch beachtliche Energien eingestrahlt, so daß man die Wassermenge z.B.
  • auf 10 m 3/m2 bestrahlte Fläche begrenzen kann. Eine Fläche von 100 m2.wird so die Energiemenge, die dem Heizwert von 10 000 1 leichtem Heizöl entspricht, sammeln. Diese Energiemenge reicht leicht aus, den Heizwärme- und Warmwasserbedarf eines Einfamilienhauses zu decken.
  • Bei einer Wärmeleitfähigkeit von Wasser bei Oo C von 0,0013 cal . cm1 1 grd1 und bei 750C von 0,0016 cal . cm-1 . 8 1 . grd-1 ergibt sich bei einer mittleren Wärmeleitfähigkeit von 0,0015 cal . cm 1 . 8 1 . grd 1 ein Wärmeverlust von 15 kcal/m2 Oberfläche . grd . 1 m Schichtdicke pro Tag. Bei einer Temperaturdifferenz von max. 800C im Wintermittel gehen damit 1 200 kcal/m2 . Tag durch Wärmeleitung verloren. Nimmt man nun den Extremfall an, daß 150 Tage lang keine Einstrahlung erfolgt, dauernd eine Temperaturdifferenz zwischen Warmwasser und Umgebung von 800C existiert, so kommt es maximal zu einem Verlust von 180 000 kcal/m2, das ist - 1/3 der gespeicherten Gesamtenergie. Hierbei sind Verluste durch Leitung ins Erdreich nicht berücksichtigt. Gegebenenfalls wird sogar das aufgeheizte Erdreich als zusätzlicher Speicher benutzt. Dadurch würde sich die Tiefe der Grube vermindern. Um die Verluste ins Erdreich zu vermindern, kann auch leicht der Wassertank gegenüber dem Erdreich thermisch isoliert werden.
  • Zur Übertragung der gespeicherten Wärme ist lediglich eine Pumpe notwendig, die das Wasser aus dem Speicher entnimmt und über Wärmetauscher zur Heizung des Hauses umwälzt. Die Warmwasserentnahme erfolgt sehr einfach, indem warmes Wasser aus dem Vorrat entnommen wird, während frisches kaltes Wasser dafür zugeführt wird. Sollte aus hygienischen Gründen nur einwandfreies Wasser zur Verwendung kommen, so ist empfehlenswert, biozides Material, wie es aus dem Kühlturnibetrieb bekannt ist, zuzusetzen und auch das Warmwasser durch Wärmeaustausch herzustellen.
  • Der Vorteil der Erfindung und entsprechender Fortschritt besteht darin, daß durch die einfache Art der Speicherung eine Verwertung der im Sommer bei kräftiger Einstrahlung gesammelten Energie für die Raumbeheizung im Winter mit hohem Nutzungsgrad gerade in unseren geographischen Breiten erschlossen wird. Außerdem ist die einfache Anordnung auch zur Energiegewinnung in Größenordnungen eines Haushaltsverbrauches geeignet.

Claims (3)

  1. Patentansprüche Verfahren zum Sammeln und langfristigen Speichern von Sonnenenergie in Wasser in zwei getrennten und übereinander angeordneten Phasen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenstrahlung am Boden oder in der unteren Wasserschicht durch Absorption aufgefangen, das Wasser aufgeheizt wird, wobei die untere Wasserphase von der oberen durch eine lichtdurchlässige Folie oder Platte getrennt ist und die obere Wasserphase durch natürliche oder synthetische Polymere verdickt wird, um die untere Wasserschicht nach oben hin lichtdurchlässig thermisch zu isolieren.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Absorption in der unteren Schicht durch eine schwarze Folie am Boden der Schicht verbessert.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Absorption in der unteren Schicht durch Einfärben des Wassers verbessert.
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