DE4224437C2 - Thermische solaranlage mit einem im kreisprozess gefuehrten waermetraeger - Google Patents

Description

Bei konventionellen Solaranlagen wird ein Wasser-Sole-Gemisch im Solarkollektor 1 erwärmt, und mittels einer Umwälzpumpe 2 zu einem Wärmetauscher 3 transportiert, in welchem die Wärme an ein Speichermedium (i. a. Trinkwasser) abgegeben wird. Die Steuerung der Pumpe erfolgt über eine Temperaturdifferenzregelung 4 (Sonnenenergie zur Warmwasserbereitung und Raumheizung, Verl. TÜV Rheinland, 1988 S. 41-42).

Zeichnung 1 stellt den prinzipiellen Aufbau eines Solarsystems dar. Hierbei bleibt der Volumenstrom konstant, und kann sich verändernden Strahlungsbedingungen nicht anpassen. Hinzu kommt, daß die Temperaturfühler 5 in der Regel nicht so angebracht werden können, daß sie die tatsächliche Temperatur sowohl im Solarkollektor als auch im Speicher aufnehmen können, wodurch negative Auswirkungen auf die Steuerung der Anlage entstehen.

Da die Austrittstemperatur des Solarkollektors von der Eintrittstemperatur abhängt, liefert der Solarkollektor, in Abhängigkeit vom Ladezustand des Speichers meist nur Wärme geringer Temperatur. Zudem bewirken Masse und Wärmekapazität des Wärmeträgers, daß das System relativ träge reagiert, bei Pumpenstarts dem Speicher zunächst so lange Wärme entzogen wird bis sich der gesamte Kreislauf erwärmt hat und entsprechend hohe Stillstandsverluste auftreten.

Der Stromverbrauch der Pumpe ist höher als für einen optimalen Betrieb der Anlage notwendig, da die Pumpe auf Maximalleistung ausgelegt wird, und diese nur selten erreicht wird. Hinzu kommt der permanent, also auch bei Stillstand der Anlage vorhandene Strombedarf der Regelung.

Da bei solarthermischen Anlagen meist eine große räumliche Trennung zwischen Solarkollektor und Wärmetauscher nicht zu vermeiden ist, tritt in Hin- und Rückleitung ein erheblicher Wärmeverlust auf. Dies bedeutet auch, daß die Austrittstemperatur am Solarkollektor deutlich über der Eintrittstemperatur im Wärmetauscher liegen muß, was zu einer Verschlechterung des Nutzungsgrades der Anlage führt. Die Leitungen inklusive Dämmung stellen hinsichtlich Material- und Installationsaufwand zudem einen erheblichen Kostenfaktor dar.

Eine Möglichkeit um Solarkollektoren direkt zur Erzeugung von Prozeßdampf einzusetzen wurde bereits von anderer Seite entwickelt (V. Heinzel, A. Hettler, J. Holzinger: Siedewasserkollektoren, in: Sonnenenergie Heft 1, 1992 S. 10-12), unterscheidet sich jedoch sowohl in der Aufgabenstellung, als auch in der Lösung von dem hier beschriebenen System. So muß beispielsweise der Kondensator oberhalb des Solarkollektors angeordnet werden, was den Anwendungsbereich stark einschränkt. Das gleiche trifft auf ein Anlagenschema zu, welches bei der Patentierung eines Wärmetransportmittels für Solaranlagen angegeben wurde (DE 25 55 430 A1).

Ein Aufbau, bei welcherm der Solarkollektor als Verdampfer eingesetzt wird, und der Kondensator unterhalb diesem angebracht werden kann, wird in einem anderen Patent vorgestellt (US 47 45 906). Hierbei ist jedoch ein relativ hoher Installationsaufwand nötig und im Solarkollektor muß ein höherer Dampfdruck, und somit eine höhere Temperatur als im Kondensator herrschen, was nachteilig für den Anlagenwirkungsgrad ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für thermische Solaranlagen ein System zu verwirklichen, bei dem der Massenstrom des Wärmeträgers sich stets direkt proportional zur Kollektorleistung verhält, mit dem Ziel, dadurch schnellstmöglich nutzbare Temperaturen zu erhalten, den Nutzungsgrad der Anlage zu erhöhen, sowie eine Reduzierung des Strombedarfs, der Material- und Installationskosten und der Leitungsverluste zu erreichen.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage bilden Solarkollektor, Wärmetauscher und Leitungen ein geschlossenes System, in welchem sich der Wärmeträger sowohl in flüssiger, als auch in dampfförmiger Phase befindet. Der Aufbau ist in Zeichnung 2 wiedergegeben. Das Kondensat wird im Solarkollektor 1 verdampft, wobei der Druck im System von der Verdampfungstemperatur bestimmt wird. In der Dampfleitung führen die unvermeidlichen Wärmeverluste zu einer teilweisen Kondensation des Dampfes, dafür jedoch zu keiner Temperaturabnahme. Im Wärmetauscher 3 erfolgt die Kondensation somit bei der Temperatur, welche auch im Solarkollektor vorhanden ist.

Der als Kondensator arbeitende Wärmetauscher 3 wird so im Speicher installiert, daß der Wärmeträger ihn von oben nach unten durchströmt. Durch den geringen Massenstrom des Kondensats ist es möglich, dieses anschließend im unteren Speicherteil auf annähernd Kaltwassertemperatur zu unterkühlen. Nach Austritt aus dem Speicher wird das Kondensat durch eine Kondensatpumpe 6 zurück zum Solarkollektor gefördert. In Höhe des Solarkollektors wird ein Flüssigkeitsstandschalter 7 derart angebracht, daß dieser die Kondensatpumpe einschaltet, sobald der Kondensatspiegel im Solarkollektor aufgrund der Verdampfung unter ein bestimmtes Niveau gefallen ist. Hierzu wird parallel zum Solarkollektor eine Leitung angebracht in welche der Schalter eingebaut wird. Diese Leitung und sämtliche Kollektorleitungen bilden zusammen kommunizierende Röhren, so daß in allen Leitungen derselbe Flüssigkeitspegel vorhanden ist. Durch die Höhe, in welche der Schalter installiert wird, ist das Verhältnis von Dampf zu Kondensat im Solarkollektor vorgegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile resultieren zunächst aus der direkt proportionalen Abhängigkeit des Volumenstromes des Wärmeträgers von der Kollektorleistung. Hieraus ergibt sich eine schnelle Anpassung des Systems an sich verändernde Strahlungsbedingungen und ein schnelles Erreichen eines verwendungsfähigen Temperaturniveaus. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch die Tatsache, daß die Verdampfungstemperatur unabhängig ist von der Speichertemperatur. Dadurch ergeben sich auch bessere Voraussetzungen für eine Schichtenladung im Speicher.

Durch den Verzicht auf eine Temperaturdifferenzregelung entfällt nicht nur ein Kostenfaktor und permanenter Stromverbraucher, sondern auch eine Schwachstelle jeder konventionellen Solaranlage. Die Steuerung des Volumenstromes geschieht durch die Kollektorleistung. Die Kondensatpumpe dient lediglich dazu, die nötige Kondensatmenge nachzufördern, und greift nicht steuernd in den Kreislauf ein.

Durch die Möglichkeit, das Kondensat im Speicher auf Kaltwassertemperatur zu unterkühlen, gibt es keine Wärmeverluste in der Kondensatleitung und auf eine Isolierung kann verzichtet werden. Da der Volumenstrom des Kondensats zudem sehr gering ist, ist eine sehr dünne Leitung ausreichend. Die Dampfleitung kann trotz des großen Volumenstroms, aber aufgrund der geringen Viskosität des Dampfes etwas kleiner dimensioniert werden als bei konventionellen Anlagen, die Isolierstärke sollte jedoch beibehalten werden. Insgesamt ergeben sich für die Leitungen erheblich geringere Material- und Installationskosten gegenüber herkömmlichen Anlagen.

Systembedingt tritt bei Pumpenstarts keine Wärmeentnahme des Speichers auf, und Stillstandsverluste sind vernachlässigbar gering.

Ausführungsbeispiel

Als Wärmeträgermedium wird Äthanol verwendet. Hierbei würden die bei Solaranlagen vorkommenden Temperaturen zu Drücken im System führen, welche stets leicht zu beherrschen wären, der nötige Frostschutz wäre gewährleistet und im theoretischen Falle einer Undichtigkeit im Wärmetauscher wäre keine Gesundheitsbeeinträchtigung der Verbraucher zu befürchten.

Es kommen handelsübliche Kollektoren zum Einsatz. Als Flüssigkeitsstandschalter dient ein Magnetschwimmer, welcher bei fallendem Kondensatspiegel über ein Reed-kontakt die Pumpe einschaltet.

Als Pumpe wird eine mit geeigneten Zahnrädern ausgestattetes Ölförderaggregat eingesetzt.

Claims (1)

1. Thermische Solaranlage mit einem im Kreisprozeß geführten Wärmeträger zur Wärmeübertragung, bei welcher der Solarkollektor als Verdampfer und der Wärmetauscher als Kondensator ohne eine Temperaturdifferenzregelung arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitsstandschalter (7), welcher über eine kommunizierende Röhre mit dem Solarkollektor (1) verbunden ist, eine Kondensatpumpe (6) regelt, die diejenige Menge an flüssigem Wärmeträger dem Solarkollektor (1) selbstregulierend zuführt, die der verdampften Flüssigkeitsmenge entspricht.