DE4224763A1 - Wärmekonzentrierender und wärmepumpender Solarkollektor - Google Patents

Description

Der Wirkungsgrad von Flachkollektoren wird durch die unver­ meidliche Wärmeabgabe vor allem an der Kollektordeckscheibe begrenzt. Zur möglichen Verringerung der Wärmeabgabe werden eine Reihe von transparenten Wärmedämmungen verwendet, wie z. B. mehrere Deckscheiben, Aerogelfüllungen, quadratische oder sechseckige Waben u.ä. Diese Wärmedämmungen und vor allem die transparenten Waben können auch in der vorliegen­ den Erfindung benutzt werden, wenn sie aus feinporigem Mate­ rial bestehen.

Eine Verringerung der Wärmeabgabe an die Umwelt kann auch durch einen im Gegenstrom zur sich ausbreitenden Wärme flie­ ßenden Wärmeträger erfolgen. Hierbei sind insbesondere Vor­ richtungen mit gasförmigen Wärmeträgern bekannt.

Die vorliegende Erfindung arbeitet auch mit dem Prinzip der Wärmeaufnahme im Gegenstrom, verwendet aber einen aus mindes­ tens zwei Komponenten bestehenden flüssigen Wärmeträger, wo­ bei mindestens eine Komponente bei Betriebstemperatur ver­ dampfbar ist und ein Inertgas.

Für die Verdampfung eines Stoffes wird eine recht große Wärmemenge benötigt, wenn man im Vergleich dazu die Wärme­ menge betrachtet, die zur Erhöhung der Temperatur eines Stof­ fes ohne Verdampfung gebraucht wird. Dadurch kann der wärme­ aufnehmende Wärmeträger relativ langsam fließen.

Durch eine geeignete Wahl der Komponenten des Wärmeträgers kann die Verdampfungstemperatur je nach der Konzentration der Komponenten in einem weiten Temperaturbereich variieren. In der Nähe der Deckscheibe, wo der Wärmeträger zufließt, ist die Verdampfungstemperatur am niedrigsten, weil dort die Konzentration der verdampfbaren Komponente des Wärmeträgers am größten ist. Wenn der Wärmeträger dann aber durch geeig­ nete Verdampferflächen, wie z. B. durchsichtige Waben sickert, steigt die Verdampfungstemperatur mit abnehmender Konzentra­ tion des verdampften Wärmeträgers immer mehr an. Die Wärme­ aufnahme durch Verdampfung ist also in einem recht großen Tem­ peraturbereich bei gleichbleibendem Druck möglich.

Die verdampften Anteile des Wärmeträgers werden hinter der lichtabsorbierenden Fläche zurückgeführt und geben ihre Kon­ densationswärme im Gegenstrom wieder ab.

Die Kondensation erfolgt nach der Beimischung eines Inert­ gases, das bei der Abkühlung den Partialdruck für die ver­ dampften Anteile des Wärmeträgers erhöht.

Dadurch ergibt sich ein Wärmepumpeffekt, der dazu verwendet werden kann, um die Wärme, die zur Deckscheibe strömt, stän­ dig zurückzupumpen. Die Temperatur des Kollektors kann so recht hohe Werte annehmen.

Der Wärmeträger kann auch an irgendeiner Stelle der Rückfüh­ rung aus dem Kollektor herausgeführt werden und einen Teil seiner Wärme abgeben. Je nach der Entnahmetemperatur ergibt sich ein größerer oder kleinerer Wärmepumpeffekt.

Im einzelnen werden Aufbau und Funktion des erfindungsgemä­ ßen Kollektors wie folgt beschrieben.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein wärmegedämmtes Kollektorge­ häuse (1). Fig. 2 zeigt dasselbe (18) in einer Aufrißdar­ stellung.

Unter der Deckscheibe (2, 19) ist eine lichtdurchlässige und poröse Schicht (15) angebracht, die mit ebenfalls porösen Waben (3, 17) direkt verbunden ist. Die Waben (3, 17) sind aus lichtdurchlässigem Material wie z. B. Glasfaser und werden bei der Durchtränkung mit dem Wärmeträger transparent. Ein Wärmeträger, wie z. B. ein Wasser-Ammoniak-Gemisch wird, wie noch gezeigt wird, in einem Kreislauf selbsttätig bewegt. Dabei steigt der Wärmeträger, der mit einem Inertgas ver­ mischt ist, in einem Steigrohr (9, 16) auf und fließt in die Querleitungen (13). Diese sind leicht nach unten geneigt, sodaß das beigemischte Inertgas wegen seines leichteren spe­ zifischen Gewichts nicht eindringt bzw. beim Stillstand des Kollektor eingedrungenes Inertgas nach oben entweichen kann. Der Wärmeträger fließt dann durch geeignete Durchlaßöffnun­ gen (14) in die poröse Schicht (15) und sickert weiter in die Waben (3, 17) zur lichtabsorbierenden Fläche (4,20).

Je nach der Größe der Durchlaßöffnungen (14) in den Querlei­ tungen (13) und je nach dem statischen Druck, der durch eine Schrägstellung des Kollektors entsteht, kann die Menge des hindurchfließenden Wärmeträgers eingestellt werden. Da im Betrieb des Kollektors die Wärme, die durch die eingefallene Lichtstrahlung entsteht, in Richtung zum unteren Teil des Kollektors gesammelt wird und die Temperatur an der lichtab­ sorbierenden Fläche (4, 20) immer mehr zunimmt, ist es vor­ teilhaft, wenn in Richtung zum unteren Teil des Kollek­ tors die Menge des durchfließenden Wärmeträgers immer mehr zunimmt. Dazu eignet sich neben einer zunehmenden Größe der Durchlaßöffnungen (14) besonders der bei einer Schrägstellung des Kollektors zunehmende statische Druck im Steigrohr (9,16). Die lichtabsorbierende Fläche (4, 20) ist aus nebeneinander­ liegenden Streifen zusammengesetzt, die quer zur Kollektor­ länge angeordnet sind. Damit wird die Wärmeausbreitung ent­ lang der lichtabsorbierenden Fläche erschwert.

Die verdampften Anteile des Wärmeträgers und die verbliebene Sole treten durch die Ritzen zwischen den Streifen in den Raum hinter der lichtabsorbierenden Fläche (4, 20) und gelan­ gen entlang den Röhren (5, 21) zum unteren Kollektorende. Dort treten die verdampften Anteile des Wärmeträgers und die verbliebene Sole zusammen mit dem Inertgas aus der Rohrlei­ tung (10) in die Röhren (5, 21). Die Röhren winden sich in vielen Windungen hinter der lichtabsorbierenden Fläche (4, 20) bis zum oberen Ende des Kollektors.

Von dort geht die Rohrleitung (8) weiter zum unteren Ende des Kollektors und setzt sich in dem Steigrohr (9, 16) fort. Durch die Verdampfung eines Teils des Wärmeträgers und den Anstieg der Temperatur entsteht im Inneren des Kollektors ein Gasdruck. Dieser Gasdruck treibt in der Anlaufphase des Kol­ lektors den im unteren Teil des Kollektors angesammelten flüssigen Wärmeträger durch die Röhren (5, 21) hinter der lichtabsorbierenden Fläche (4, 20). Ein Ausgleichsgefäß (7) mag dabei für den Druckausgleich sorgen.

Die verdampften Anteile des Wärmeträgers kondensieren in ei­ nem Wärmetauscher (6) außerhalb des Kollektors. Der Wärme­ tauscher ist entweder durch die Zu- und Ableitungen (11) oder (12) auf höherem oder niedrigerem Temperaturniveau mit dem Kollektor verbunden und ist gegenüber dem Kollektor in erhöhter Lage angebracht. Dadurch fließen die kondensierten Anteile des Wärmeträgers selbsttätig in Richtung der Verdamp­ ferflächen weiter. Eventuell bewirkt auch eine Kondensation im oberen Teil des Rohres (8) den gleichen Effekt.

Die kondensierten Anteile des Wärmeträgers bewirken so einen kontinuierlichen und selbsttätigen Kreislauf des Wärmeträgers durch den Kollektor.

Die Röhren (5, 21) hinter der lichtabsorbierenden Fläche (4, 20) sollen dünn genug sein, damit die flüssigen und kondensier­ ten Anteile des Wärmeträgers nicht wieder zurückfließen und keine Entmischung von flüssigen und gasförmigen Bestandteilen auftritt.

In den Waben bildet sich ein Temperaturgefälle heraus, das in der Nähe der Deckscheibe (2, 19) mit der Außentemperatur beginnt und mit der Annäherung an die lichtabsorbierende Fläche (4, 20) immer größere Werte annimmt. Das Temperatur­ gefälle ist dabei in den Waben (3, 17) am unteren Ende des Kollektors wesentlich größer als in den Waben am oberen Ende. Demnach enthalten die Waben im oberen Teil des Kollektors die verdampfbare Komponente des Wärmeträgers in hoher Konzen­ tration, während im unteren Teil des Kollektors die Waben nur in der Nähe der Deckscheibe eine hohe Konzentration der verdampfbaren Komponente des Wärmeträgers aufweisen und in der Nähe der lichtabsorbierenden Fläche der Wärmeträger an der verdampfbaren Komponente verarmt ist.

In den dazwischenliegenden Teilen der Waben verteilt sich die Konzentration im Sinne eines allmählichen Übergangs zwischen den Extremwerten am oberen und unteren Ende des Kollektors.

Durch die Wahl eines aus zwei Komponenten bestehenden Wärme­ trägers kann trotz ungleicher Temperatur in den Waben eine gleichmäßige Wärmeaufnahme gewährleistet werden.

Die Waben (3, 17) können aus dünnem Material, wie z. B. Glas­ fasergewebe gefertigt sein, sodaß sie trotz des hindurch­ sickernden Wärmeträgers nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben.

Die im Kollektor gesammelte Wärme kann an verschiedenen Stellen der Wärmerückführung als Nutzwärme aus dem Kollekt­ tor entnommen werden.

Dabei kann die Differenz zwischen der Temperatur der entnom­ menen Nutzwärme und der höchsten am unteren Ende des Kollek­ tors erzielten Temperatur für einen Wärmepumpeffekt genutzt werden.

Dazu wird ein Inertgas bei der Wärmerückführung in den Röhren (5, 21) hinter der lichtabsorbierenden Fläche (4, 20) beige­ mischt. Das Inertgas verändert bei der Abkühlung den Partial­ druck der verdampften Anteile des Wärmeträgers in den Röhren (5, 21) gegenüber dem Druck im übrigen Kollektorraum, in dem sich kein Inertgas befindet. Der Kollektor arbeitet damit nach Art einer Absorberkältemaschine, bei der Wärme von ver­ gleichsweise hohem Niveau dazu benutzt wird, um Wärme von einem niedrigen auf ein höheres Niveau zu pumpen, bei gleich­ zeitiger Wärmeabgabe auf einem mittleren Niveau.

Das Inertgas sammelt sich während des Betriebs durch die festgelegte Strömungsrichtung selbsttätig in den Röhren (5, 21) an.

Je nach dem, auf welchem Niveau die Nutzwärme gebraucht wird, kann sie bei den Zu- und Ableitungen (11) und (12) auf höhe­ rem oder niedrigerem Niveau entnommen werden.

In Wärmetauschern außerhalb des Kollektors kondensiert ein Teil der verdampften Komponente des Wärmeträgers und ver­ mischt sich mit der mitgeführten Restsole. Die Wärmetauscher werden vorteilhaft gegenüber dem Kollektorgehäuse (1, 16) in erhöhter Lage angebracht, sodaß der statische Druck des kon­ densierten Wärmeträgers einen selbstätigen Weitertransport zu den Verdampferflächen ermöglicht.

Durch die Nutzwärmeentnahme auf mittlerem Temperaturniveau kann die Temperatur des zurückgeführten Wärmeträgers unter die Umgebungstemperatur sinken, sodaß Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden kann.

Wenn keine Nutzwärme aus dem Kollektor entnommen wird, gelangt die Restwärme zur Deckscheibe und wird dort an die Umgebung abgeführt. Der Kollektor erreicht dann die höchst mögliche Temperatur, indem die gesamte Wärmepumpenleistung für die Erhöhung der Temperatur im Inneren des Kollektors verwendet wird.

Die Menge der entnehmbaren Nutzwärme hängt von ihrer Tempera­ tur ab. Es kann umso mehr Wärme entnommen werden, je größer die Differenz der Temperatur der Nutzwärme und der Maximal­ temperatur des Kollektors ist. In der Nähe der Umgebungstem­ peratur kann die größte Menge an Nutzwärme entnommen werden. Das heißt, es kann entweder mehr Wärme von niedriger Temperatur oder weniger Wärme von hoher Temperatur entnommen werden. Je nach dem Verwendungszweck wird man entweder Wärme von hoher Temperatur, z. B. als Prozeßwärme, oder Wärme niederer Temperatur, z. B. zur Raumheizung oder zur Erwärmung von Brauchwasser gewinnen wollen.

Claims (4)

1. Solarkollektor, der mit einer strahlungsdurchlässigen Deckscheibe (2) abgedeckt und in einem wärmeisolierten Trä­ ger (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiger Wärmeträger verwendet wird, der aus zwei Komponenten besteht, von denen mindestens eine bei Betriebs­ temperatur verdampfbar ist,
daß der Wärmeträger entgegen der Wärmeausbreitung, die in Richtung der Deckscheibe (2) fortschreitet, durch wärmeiso­ lierende Elemente (3) sickert,
daß der Wärmeträger durch fortschreitende Verdampfung einer oder beider Komponenten Wärme aufnimmt,
daß die verdampfte(n) Komponente(n) und eventuell die ver­ bliebene Sole entlang einer lichtabsorbierenden Fläche (4) zum unteren Ende des Kollektors geleitet wird (werden), daß der Wärmeträger danach durch Röhren (5) oder geeignete Gefäße hinter der lichtabsorbierenden Fläche (4) hindurchge­ leitet wird, damit er seine Wärme im Gegenstrom an den vor der lichtabsorbierenden Fläche (4) strömenden Wärmeträger abgeben kann,
daß die Röhren (5) oder Wärmetauschergefäße hinter der licht­ absorbierenden Fläche (4) so dünn gestaltet sind, daß ein Zurückfließen der Flüssigkeit verhindert wird,
daß der hinter der lichtabsorbierenden Fläche (4) zurückge­ leitete Wärmeträger an Stellen gewünschter Temperatur aus dem Kollektor ab- und wieder zugeleitet wird und einen Teil seiner Wärme als Nutzwärme abgibt,
daß die durch Wärmeabgabe erfolgende Kondensation des Wärme­ trägers in einem Gemisch mit Inertgas wie z. B. Wasserstoff oder Stickstoff erfolgt,
daß das Inertgas am Beginn der Rückführung des Wärmeträgers am unteren Ende der lichtabsorbierenden Fläche zugeführt wird und im Kreislauf des Wärmeträgers verbleibt, mit Aus­ nahme des Raumes, in dem der Wärmeträger verdampft,
daß am oberen Ende der Röhren (5) oder des Wärmetauscherge­ fäßes (6) ein Druckausgleichsgefäß (7) - eventuell mit be­ weglicher Wand - angebracht ist,
daß der Wärmeträger und das beigemischte Inertgas nach dem Durchströmen der Röhren (5) hinter der lichtabsorbierenden Fläche durch eine Rohrleitung (8) zum unteren Ende der Deck­ scheibe geleitet werden,
daß der Wärmeträger und das Inertgas durch eine Steigleitung (9, 16) zum oberen Ende des Kollektors aufsteigen, daß die Steigleitung (9, 16) in vorteilhaften Abständen mit abzweigenden Querleitungen (13) verbunden ist, die nur für Flüssigkeit, nicht aber für gasförmige Bestandteile durch­ lässig sind, was durch eine leichte Neigung nach unten be­ werkstelligt werden kann,
daß die Querleitungen (13) mit Durchlaßöffnungen (14) ver­ sehen sind, durch die der Wärmeträger in eine poröse Schicht (15) sickern kann, die an der Innenseite der Deckscheibe an­ liegt,
daß der Wärmeträger dann weiter in die wärmeisolierenden und porösen Elemente (3, 17) sickert, daß das obere Ende der Steigleitung (9, 16) durch eine Rohr­ leitung (10) mit dem unteren Ende des Kollektorraumes ver­ bunden ist, sodaß das verbleibende Inertgas in das untere Ende der Röhren (5, 21) hinter der lichtabsorbierenden Fläche (4, 20) einströmen kann
und daß die verdampften Anteile des Wärmeträgers zusammen mit der eventuell verbliebenen Sole, die durch die wärmeisolie­ renden Elemente gesickert ist, und zusammen mit dem Inertgas in die Röhren (5, 21) einströmen, womit der Kreislauf ge­ schlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, als Wärmeträger Stoffpaare wie z.B Ammoniak-Wasser, LiBr- Wasser, Alkohol-Wasser, Glykol-Wasser, Glyzerin-Wasser, Mischungen verschiedener Alkohole oder ähnliche Stoffpaare verwendet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Menge des durchgesetzten Wärmeträgers durch ein Drosselventil geregelt wird, das z. B. in der Rohrleitung zur Rückführung des Wärmeträgers angebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmeisolierende Elemente quadratische oder sechseckige Waben oder ausgespannte Folien aus porösem Material, wie z. B. Glasfasergewebe, auch mit Silicagel verstärkt, verwen­ det werden und daß das poröse Material bei der Tränkung mit Flüssigkeit transparent werden kann.