DE3728551A1 - Anordnung zum sammeln und speichern von sonnenenergie - Google Patents
Anordnung zum sammeln und speichern von sonnenenergieInfo
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Description
Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung
zum Sammeln und Speichern von Sonnenenergie umfas
send einen Speicherbehälter mit einer transparen
ten Abdeckung und einem dunklen, absorbierenden
Boden sowie Zuführ- und Entnahmeleitungen für
Frisch- und Brauchwasser.
Der diskontinuierliche Anfall von Sonnenenergie
macht für autarke bzw. die Energie optimal nutzen
de Systeme Speicher unumgänglich. Dies gilt auch
für den Bereich der solaren Warmwasser-Erzeugung.
Insbesondere in der Zeit nach 1973 wurden in
praktisch allen Industrie-Ländern verschiedene
Varianten solcher solaren Warmwasser-Systeme
entwickelt. Grundsätzlich kann man eine Eintei
lung in großflächige Systeme mit großvolumigen
Speichern langer Speicherzeit und in kleinere
Systeme mit kleineren Speichern und kurzer Spei
cherzeit vornehmen.
Aus ökonomischen Gründen haben sich in letzter
Zeit auf beiden Teilgebieten Varianten heraus
kristallisiert, die in einer kompakten Einheit
Sonnenenergie-Sammler und -Speicher vereinigen.
Dabei sind im Bereich der Großanlagen Speicher
seen (international üblicherweise als "Solar-
Ponds" bezeichnet), im Bereich kleinerer Anlagen
kombinierte Sammler- und Speicherkollektoren
(international übliche Bezeichnung "internal
storage collectors") entwickelt worden.
Die "Solar-Ponds" beruhen auf einem um das Jahr
1900 in Ungarn entdeckten und in den 50er Jahren
in Israel (insbesondere von Tabor et al) technisch
weiterentwickelten physikalischen Effekt, wonach
in einem See von einigen Metern Tiefe das Oberflä
chen-Wasser aus Süßwasser besteht, während die
darunterliegenden Schichten aus Salzwasser gebil
det werden, dessen Konzentration zum Boden zu
anwächst. Das bis auf den dunklen Grund vordringen
de Sonnenlicht wird dort absorbiert und in Wärme
umgesetzt, kann aber nicht - wie bei üblichen
Süßwasser-Seen - über Konvektion zur Oberfläche
transportiert werden, da die untenliegenden Wasser
schichten schwerer sind. Auf diese Weise erhitzt
sich der untere Teil des "Solar-Ponds" und ist
durch die darüberliegenden süßen Wasserschichten
relativ gut wärmeisoliert. Die Nutzwärme wird
nun dem unteren Teil des "Solar-Ponds" mittels
eines Wärmetauschers entzogen.
In der Praxis werden derartige "Solar-Ponds"
eingesetzt, um damit z.B. thermodynamische Maschi
nen mit Arbeitsmitteln niedrigen Siedepunktes
zu betreiben und aufgrund der Sonnenenergie-Spei
cherfunktion rund um die Uhr auch in Schlecht
wetter-Perioden bei entsprechender Dimensionierung
des "Solar-Ponds" mechanische Energie bzw. elektri
schen Strom zu erzeugen.
Die sogenannten "internal storage collectors"
bestehen im einfachsten Fall aus schwarzen, wasser
gefüllten Behältern, die sich im Inneren einer
gut isolierenden Umhüllung befinden, deren der
Sonne zugewandte Oberfläche mit einer oder mehre
ren Verglasungen versehen sein kann. Das sich
im Inneren des schwarzen Behälters aufheizende
Wasser kann über Wärmetauscher oder direkt dem
Verbraucher zugeführt werden. Eine derartige
Anordnung ist z.B. aus der DE-PS 26 39 425 bekannt.
So sehr die grundsätzliche Einfachheit des Aufbaus
der beschriebenen Anordnungen deren konstruktive
Realisierung erleichtert, so sehr sind sie doch
auch mit gravierenden Nachteilen verbunden, da
sie insbesondere einen doch sehr niedrigen Wirkungs
grad aufweisen.
Der wesentliche Nachteil der "Solar-Ponds" liegt
darin, daß bei typischen Tiefen von z.B. 3 m
am Grunde des "Solar-Ponds" aufgrund der Extink
tion des längerwelligen Teils im Sonnenspektrum
nur noch 35% Nutzenergie ankommen, so daß hierdurch
der größtmögliche Wirkungsgrad unmittelbar be
schränkt wird. Weiterhin ist die Stratifizierung
derartiger "Solar-Ponds" mit Salzwasser-Schichten
der natürlichen Konvektion entgegengerichtet
und muß daher ständig durch Umpumpen zur Konstant
haltung des Gradienten aufrechterhalten werden.
Letztlich ist die freie Wasseroberfläche insbe
sondere bei an sich anzustrebenden größeren Flä
chen sehr windanfällig, da die durch Wind erzeug
ten Wellen die Stratifizierung der Wasserschich
ten stören und zu Verlusten führen.
Der wesentliche Nachteil der "internal storage
collectors" besteht in der großen thermischen
Trägheit des aufzuheizenden Wasservolumens. Gerade
in Klimaregionen mit wechselnder Einstrahlung
sind Kollektoren mit kleinerer Wärmekapazität
von Vorteil, da sie bei kurzen Sonnenschein-Perioden
bereits die geforderten Nutztemperaturen liefern.
Speicherkollektoren der klassischen Bauweise
sind daher in ihrer Anwendung auf sehr sonnenrei
che Länder beschränkt und letztlich auch dann
nur einsetzbar für Anwendungen, bei welchen erst
in der zweiten Hälfte des Tages Warmwasser benötigt
wird.
Diese grundsätzliche Systemschwäche kann beispiels
weise durch isothermes Aufheizen in einem Speicher
kollektor mit variablem Volumen vermindert werden,
wie z.B. in der EP-OS 02 19 566 beschrieben.
Bei dieser vorbekannten Anordnung wird durch
einen oben transparenten und unten dunklen Absor
berschlauch ständig Sonnenenergie absorbiert,
wobei sich die Füllhöhe des Speicherkollektors
in Abhängigkeit von der gewünschten, eingestellten
Temperatur und der Sonneneinstrahlungs-Intensität
ändert. Dieses System ist damit thermisch nicht
mehr träge und arbeitet mit hohem Wirkungsgrad.
Allerdings ist das im Kollektorschlauch befindliche
Wasser drucklos und muß mit einer Zusatzpumpe
auf Brauchdruck gebracht werden. Die Wärmeverluste
des Speichers nach oben hin sind durch eine trans
parente Isolation begrenzt, wobei jedoch nicht
die Dämmeigenschaften nichttransparenter Dämm-
Materialien, wie z.B. von Polyurethanschaum,
erreicht werden.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, unter Beibehaltung eines einfach aufge
bauten kombinierten Sonnen-Kollektors und -Speichers
einen möglichst hohen Sammelwirkungsgrad in bezug
auf das einfallende Sonnenspektrum, ein isothermes
Aufheizen des integrierten Speichervolumens,
eine optimale Wärmedämmung des Speichervolumens
und die Möglichkeit des Wärmeentzugs aus dem
drucklosen Speichervolumen durch einen druckbeauf
schlagten Wärmetauscher zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der dunkle
Boden als den Behälter horizontal in ein kleineres
oberes und ein größeres unteres Wasservolumen
unterteilender Zwischenboden ausgebildet ist,
und daß eine Einrichtung zur Erzielung eines
Wärmeausgleichs zwischen dem oberen Volumen und
der Oberseite des unteren Volumens vorgesehen
ist.
Die Einrichtung zum Wärmeausgleich wird z.B.
gebildet durch eine dem oberen Volumen wasserent
ziehende und der Oberseite des unteren Volumens
wasserzuführende Pumpenanordnung und wenigstens
eine den Zwischenboden durchsetzende Verbindungs
leitung.
Durch diese Anordnung wird erreicht, daß sich
das kleinere, obere Volumen bereits bei schwacher
oder kurzzeitiger Sonneneinstrahlung erwärmt,
wobei dieses erwärmte Wasser zur Speicherung
dann in den Bereich unmittelbar unterhalb des
Zwischenbodens eingebracht wird. Dort kann das
warme Wasser aufgrund der realisierbaren guten
Wärmedämm-Eigenschaften des Zwischenbodens mit
geringem Verlust gespeichert werden. Außerdem
wird durch die Verbindungsleitung erreicht, daß
bei der Entnahme von warmem Wasser aus dem oberen,
kleineren Volumen automatisch kaltes Wasser vom
Grund des kälteren Volumens nachfließt.
Dabei ist günstigerweise vorgesehen, daß dem
oberen Volumen ein Temperatur-Sensor zugeordnet
ist, welchem eine Vergleichsanordnung zum Vergleich
der von dem Sensor gemessenen Temperatur mit
einer voreinstellbaren Referenz-Temperatur zugeord
net ist, wobei die Pumpe der Pumpenanordnung
dann eingeschaltet wird, wenn die gemessene Tempe
ratur die Referenz-Temperatur erreicht. Auf diese
Weise kann eine isotherme Aufheizung realisiert
werden.
Zur Erzielung eines laminaren Einströmens des
in das untere Volumen eingepumpten Wassers der
art, daß die Schichtung in dem unteren Volumen
möglichst wenig gestört wird, ist vorgesehen,
daß der Pumpenanordnung eine Zuführanordnung
nachgeordnet ist, welche unterhalb des Zwischen
bodens in geringem Abstand parallel zu diesem
über die gesamte Breite des Behälters verläuft,
endseitig geschlossen ist und an der Oberseite
mit einer Mehrzahl in Abhängigkeit von dem Druck
abfall längs desselben größer werdenden Ausström-
Öffnungen versehen ist.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein,
daß die Zuführeinrichtung eine Einlaufplatte
umfaßt, an deren Oberseite in Abhängigkeit von
dem Druckabfall längs derselben breiter werdende
Querschlitze angeordnet sind.
Weiterhin kann zur Unterdrückung von Turbulenzen
vorgesehen sein, daß sich dicht unterhalb der
Zuführanordnung ein horizontales Gitter befindet.
Eine Alternative zu der durch eine Leitung und
eine Pumpe gebildeten Anordnung zur Herbeiführung
eines Wärmeausgleichs besteht darin, daß diese
Einrichtung wenigstens ein Wärmeaustauschrippen
aufweisendes Wärmeleitungsrohr umfaßt. In diesem
Fall erfolgt also der Wärmeaustausch ausschließ
lich durch Wärmeleitung ohne eigentlichen Wasser
transport.
Zur Entnahme der Wärmeenergie kann gemäß einer
erfindungsgemäßen Variante vorgesehen sein, daß
unterhalb des Zwischenbodens eine Wärmetausch
einrichtung angeordnet ist, welche in einen Se
kundär-Kreislauf eingeschaltet ist. Hierfür kommen
Wärmetauscher-Schlangen herkömmlicher Konstruktion
in Betracht, vorzugsweise solche, welche relativ
flach ausgelegt sind.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, daß unterhalb
des Zwischenbodens eine Warmwasser-Entnahmeleitung
angeordnet ist, und daß am Grund des unteren
Volumens eine Kaltwasser-Zuführleitung mündet,
durch welche die entnommene Wassermenge kompensiert
wird.
Für die Speicherung großer Wärmemengen kann vorge
sehen sein, daß der Behälter als ein in einem
Gewässer verankerter Schwimm-Behälter ausgebildet
ist. Derartige Behälter lassen sich in Seen und
Teichen zur Speicherung außerordentlich großer
Volumina und damit erheblicher Wärmemengen anordnen.
Es wurde bereits früher erkannt, daß durch in
Gewässern angeordnete Speicher erhebliche Wärme
mengen, z.B. zur Versorgung von in der Nähe liegenden
Häusern mit Heiz- und Brauchwasser, gespeichert
werden können. Bisher ging man jedoch davon aus,
daß die Aufheizung des Speicher-Volumens mittels
externer Kollektoren bewerkstelligt werden müsse.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird
nun eine sehr wirtschaftliche Kombination von
Kollektor und Speicher geschaffen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei
bung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeich
nung. Diese zeigt eine schematische Schnittdar
stellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
In der Zeichnung ist ein Behälter 1 mit einer
isolierenden Außenwand dargestellt. Dieser Behäl
ter kann einerseits gebildet sein durch die natür
liche oder künstliche Wand eines Teiches bei
einer Ausführung als eine Art "Solar-Pond", oder
aber auch durch eine isolierte Behälterwand prak
tisch beliebiger Größe bei einer Ausführung als
"internal storage collector". Die Oberseite des
Behälters 1 ist durch im Ausführungsbeispiel
drei transparente Schichten aus einer lichtdurch
lässigen Folie verschlossen und damit thermisch
isoliert.
Ein an seiner Oberseite dunkelgefärbter und damit
Wärmestrahlung absorbierender Boden ist als Zwi
schenboden 3 ausgebildet und erstreckt sich hori
zontal quer über den Behälter 1, so daß zwei
voneinander getrennte Wasservolumina gebildet
werden, wobei das untere Wasservolumen A größer
ist als das obere Wasservolumen B.
Eine Leitung 4 durchsetzt den Zwischenboden 3
und verbindet die Unterseite des unteren, größeren
Volumens A mit dem oberen, kleineren Volumen B.
Eine Auslaßleitung 5 führt von dem oberen Volu
men B zu einer Pumpe 6, von welcher eine Rückführ
leitung 7 nachgeordnet ist, welche in eine Zuführ
anordnung 8 mündet. Die Zuführanordnung 8 wird
gebildet durch wenigstens ein endseitig verschlos
senes, sich horizontal quer zu dem Zwischenbo
den 3 unterhalb desselben erstreckendes Rohr
mit einer Mehrzahl von Austrittsöffnungen 9,
durch welche eingespeistes Wasser möglichst tur
bulenzfrei nach oben austreten kann.
Unterhalb des Zwischenbodens 3 verlaufen in einer
parallelen, horizontalen Ebene Schlangen 10 ei
nes in einen Sekundär-Kreislauf, der durch den
Pfeil 11 angedeutet ist, eingeschalteten Wärme
tauschers.
In dem oberen Volumen B ist ein Temperatur-Sen
sor 12 angeordnet, welcher mit einer Vergleichs
einrichtung 13 verbunden ist, welche - wie im
einzelnen nicht dargestellt - eine Einrichtung
zum Einstellen einer Referenz-Temperatur T ref
aufweist, und welche diese mit der von dem Tempe
ratur-Sensor 12 ermittelten Ist-Temperatur T w
vergleicht und in Abhängigkeit von diesem Vergleich
die Pumpe 6 ansteuert.
Die Pumpe wird immer dann eingeschaltet, wenn
die von dem Temperatur-Sensor 12 erfaßte Tempe
ratur T w die eingestellte Referenz Temperatur T ref
überschreitet.
Das obere Wasservolumen erwärmt sich bei Sonnen
einstrahlung aufgrund seiner kleinen Menge und
der vollständigen Extinktion des Lichtes teils
im Wasser, teils am dunklen Zwischenboden 3 sehr
schnell. Dieses erwärmte Wasser wird bei eingeschal
teter Pumpe 6 über die Zuführanordnung 9 laminar
unter den Zwischenboden 3 geschichtet, wobei
einer Durchmischung zusätzlich zu der laminaren
Einströmung auch noch ein horizontales Zwischen
gitter 14 entgegenwirkt.
Ein entsprechender Volumen-Ausgleich für das
durch die Pumpe 6 abgepumpte Wasser wird über
die Leitung 4 vorgenommen, welche ein Steigrohr
bildet. Das untere Ende dieser Leitung 4 mündet
am kältesten Punkt des unteren Volumens A, und
zwar zur Vermeidung eines "Kurzschlusses" zwischen
warmem und kaltem Wasser an der der Rückführlei
tung 7 entgegengesetzten Seite des Behälters 1.
Wie in der Zeichnung durch die Pfeile angedeutet,
strömt das Wasser nach oben in das kleine Volu
men B.
Das laminare, vermischungsfreie Zuführen von
Warmwasser direkt unter den Zwischenboden 3 führt
zu einer quasi-isothermen Aufheizung. Wird dem
Speicher kein Warmwasser entzogen, wächst die
Warmwasserschicht langsam nach unten in das Spei
chervolumen hinein, bis dieses vollständig mit
Warmwasser gefüllt ist.
Durch die vorstehend beschriebene Grundanordnung
wird erreicht, daß praktisch das gesamte Sonnen
spektrum ausgenutzt wird, da außer dem kleinen
Anteil des Spektrums, der durch die transparenten
Schichten 2 absorbiert bzw. reflektiert wird,
das gesamte Licht entweder direkt im Wasser oder
auf der dunklen Oberseite des Zwischenbodens 3
in Nutzwärme umgewandelt wird. Durch die transpa
rente Abdeckung 2 wird eine Windbeeinflussung
der Oberfläche des Wassers vermieden. Die Strati
fizierung des Wassers wird ohne Salzwasser aufgrund
der natürlichen Schichtung unterhalb des Zwischen
bodens 3 erreicht.
Wenn abweichend von der beschriebenen Ausführungs
form der Speicher nicht durch einen Wärmetauscher
entladen wird, sondern das Warmwasser direkt,
z.B. über eine Pumpe, abgezogen wird, muß dafür
gesorgt werden, daß automatisch über einen Füll
standswächter geregelt kaltes Wasser turbulenz
frei an Grunde des Speicherbehälters nachströmt,
wenn heißes Wasser entzogen wird.
Gemäß einer für sich ebenfalls sehr vorteilhaf
ten Variante kann die erfindungsgemäße Anordnung
auch zur Erzeugung und Speicherung von kaltem
Wasser herangezogen werden. Dabei wird die Pum
pe 6 nur während der Nacht in Betrieb genommen.
Während der Nacht strahlt das Volumen B durch
das "atmosphärische Fenster" im Wellenlängenbe
reich von 8 bis 13 µm Wärme gegen den kalten
Nachthimmel ab. Das sich hierdurch abkühlende
Wasser wird beim Erreichen einer durch den Tempe
ratur-Sensor 12 erfaßten Referenz-Temperatur
mittels der Pumpe 6 über die Rückführleitung 7
turbulenzfrei in den untersten Teil des Speicher
volumens A gepumpt. Die dabei gewählte Einström-
Geometrie ist spiegelbildlich zur Einström-Geome
trie, wie sie im Zusammenhang mit der Zeichnung
beschrieben wurde. Sie gewährleistet, daß sich
am Boden eine kontinuierlich nach oben anwachsen
de Kaltwasserschicht bildet. Die Leitung 4, welche
dem Volumen-Ausgleich zwischen den Volumina A
und B dient, ist bei dieser Variante wesentlich
kürzer und endet unmittelbar unterhalb des Zwischen
bodens 3. Darüber hinaus wird bewußt auf eine
mehrfache transparente Abdeckung des Volumens B
verzichtet und stattdessen für eine möglichst
transparente Abdeckung gesorgt. Verzichtet man
ganz auf eine Abdeckung, kommt zusätzlich der
Effekt der Verdunstungskühlung hinzu, was aber
dazu führt, daß der hierdurch bedingte Wasserfluß
kompensiert werden muß.
Entzieht man bei dieser Anordnung kaltes Wasser
mittels eines dann am Grunde des Volumens A ange
ordneten Wärmetauschers, wird die ursprünglich
stabile Schichtung analog zu der Variante für
die Warmwasserbereitung instabil. Durch die Erwär
mung im unmittelbaren Bereich des Wärmetauschers
steigt Warmwasser auf, so daß Zirkulationsströmun
gen entstehen, die das Wärmetausch-Verhalten
verbessern.
Diese letztgenannte Variante kann einerseits
zu reinen Kühlzwecken eingesetzt werden, um z.B.
in heißen Ländern Häuser zu klimatisieren, anderer
seits kann sie in Kombination mit warmwassererzeu
genden Speicherkollektoren auch dazu benutzt
werden, das nurzbare Temperaturgefälle und damit
den Wirkungsgrad von thermodynamischen Maschinen
mit niedrigsiedenden Arbeitsmedien zu verbessern.
Claims (10)
1. Anordnung zum Sammeln und Speichern von Sonnen
energie umfassend einen Speicherbehälter mit
einer transparenten Abdeckung und einem dunklen,
absorbierenden Boden sowie Zuführ- und Entnahme
leitungen für Frisch- und Brauchwasser, dadurch
gekennzeichnet, daß der dunkle Boden als den
Behälter (1) horizontal in ein kleineres oberes
und ein größeres, unteres Wasservolumen (B bzw. A)
unterteilender wärmeisolierender Zwischenboden (3)
ausgebildet ist, und daß eine Einrichtung zur
Erzielung eines Wärmeausgleichs zwischen dem
oberen Volumen und der Oberseite des unteren
Volumens vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Einrichtung zum Wärmeausgleich durch
eine dem oberen Volumen (B) wasserentziehende
und der Oberseite des unteren Volumens (A) wasser
zuführende Pumpenanordnung (6) gebildet ist,
wobei wenigstens eine den Zwischenboden durchsetzende
Verbindungsleitung vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß dem oberen Volumen (B) ein
Temperatursensor (12) zugeordnet ist, welchem
eine Vergleichsanordnung (13) zum Vergleich der
von dem Sensor (12) gemessenen Temperatur (T w )
mit einer voreinstellbaren Referenz-Temperatur (T ref )
zugeordnet ist, wobei die Pumpe (6) der Pumpen
anordnung dann eingeschaltet wird, wenn die gemessene
Temperatur (T w ) die Referenz-Temperatur (T ref )
erreicht.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenanordnung (6)
eine Zuführanordnung (8) nachgeordnet ist, welche
unterhalb des Zwischenbodens (3) in geringem
Abstand parallel zu diesem über die gesamte Breite
des Behälters verläuft, endseitig geschlossen
ist und an der Oberseite mit einer Mehrzahl in
Abhängigkeit von dem Druckabfall längs desselben
größer werdenden Ausströmöffnungen (9) versehen
ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung
eine Einlaufplatte umfaßt, an deren Oberseite
in Abhängigkeit von dem Druckabfall längs dersel
ben breiter werdende Querschlitze angeordnet
sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß sich dicht unterhalb
der Zuführanordnung (8) ein der Ausbildung von
Turbulenzen entgegenwirkendes, horizontales Git
ter (14) angeordnet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Wärmeausgleich durch
wenigstens ein Wärmeaustauschrippen aufweisendes
Wärmeleitungsrohr gebildet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Zwischen
bodens (3) eine Wärmetauscheinrichtung (10) ange
ordnet ist, welche in einen Sekundär-Kreislauf (11)
eingeschaltet ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Zwischen
bodens eine Warmwasser-Entnahmeleitung angeordnet
ist, und daß am Grund des unteren Volumens eine
Kaltwasser-Zuführleitung mündet, welche über
eine Ventilanordnung geöffnet wird, welche in
Abhängigkeit von einer Füllstandsüberwachungs
einrichtung betätigt wird.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1)
als in einem Gewässer verankerter Schwimm-Behälter
ausgebildet ist.
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