DE4237228A1 - Absorber für Solarkollektoren und zugehöriger Speicher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Absorberkonfigu­ ration für Solarkollektoren, die mit dem Ziel der effekti­ veren Nutzung der Sonnenenergie für die Erwärmung von Flüssigkeiten entwickelt wurde. Für den wirtschaftlichen Betrieb dieses Absorbers wird eine angepaßte Speicherein­ richtung vorgeschlagen.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet für derartige thermische Kollektoren ist die Bereitstellung von Brauchwasser für Haushalte und Freizeitanlagen.

Im zugehörigen Hauptpatent P 42 24 968.6 wurden mehrere Ausführungsformen für Flach- und Röhrenkollektorsysteme vorgeschlagen.

Gemeinsames Kennzeichen der dafür eingesetzten Absorber war der Einsatz silikatischer Materialien in kompakter platten- und/oder röhrenförmiger Bauweise.

Zur Erzeugung eines schnell aufheizbaren Flüssigkeitsfil­ mes wurde einmal ein extremes Flachkollektorsystem ge­ wählt, bei dem die Distanz zwischen den Glasscheiben zur Bildung des die Absorberflüssigkeit aufnehmenden Hohlrau­ mes ca. 1 bis 10 mm beträgt.

Zum anderen sollte die Einstellung dünner Flüssigkeits­ schichten in Glasrohrabsorbern erfolgen, die in konzentri­ scher Doppelrohrbauweise ausgeführt sind.

Die Beschichtung der Absorbervorderseite mit Glaspulver und die Beschickung des Absorberhohlraumes mit Glasfritte stellen hier ergänzende Maßnahmen dar.

In konsequenter Weiterführung dieser Überlegungen wurde erkannt, daß auch kleine Strahlungsenergiebeiträge, die bei massereichen Kollektorsystemen herkömmlicher Bauart nur geringfügige Temperaturerhöhungen der Wärmeträgerflüs­ sigkeit bewirken, effektiv genutzt werden können, wenn im entsprechend aufgebauten Absorber eine Strahlungsabsorp­ tion des erzeugten Flüssigkeitsfilmes stattfindet.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Absorber zu entwickeln, der so beschaffen ist, daß auch kleine bzw. kurzzeitige Strahlungsenergiepakete eine maximale Erwärmung einer entsprechend dosierten Flüssigkeitsmenge bewirken, die in dieser dosierten Form in einem angepaßten Speicher deponiert wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei den herkömmlichen Absorbersystemen muß das für den Absorber verwendete Material eine möglichst gute Wärme­ leitfähigkeit aufweisen, deshalb werden in aller Regel Kupfer oder Aluminium eingesetzt.

Das für den erfindungsgemäßen Absorber in Frage kommende Material muß im Gegensatz dazu eine möglichst gute thermi­ sche Isolation bewirken. Davon ausgehend können vorzugs­ weise verschäumte silikatische Materialien, aber auch Kunststoffe eingesetzt werden.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zur Verbesserung der Effizienz von Kollektor­ absorbern ganz gezielt eine flächenhafte Verteilung der Absorberflüssigkeit in Form eines Flüssigkeitsfilmes er­ zeugt wird.

Es ist damit Funktionsvoraussetzung und gleichermaßen das Konstruktionsprinzip des erfindungsgemäßen Absorbers, daß

• - die pro Einstrahlungsflächeneinheit zu erwärmende Masse hinsichtlich Flüssigkeit und Absorber sehr klein ist und
• - der Absorber mit einer maximalen Absorber- bzw. Kontakt­ oberfläche ausgeführt ist, wodurch der Wärmeträger­ flüssigkeitsfilm durch Nutzung der Strahlungsabsorption auf ein möglichst hohes Temperaturniveau erwärmt wird.

Zusätzlich sind Wärmeübergänge bei der Nutzung der Strah­ lungsenergie zu vermeiden.

Der Realisierung dieser Anforderungen sind verständlicher­ weise bei den bekannten flüssigkeitsdurchströmten Gefäß­ systemen Grenzen gesetzt. Ursache dafür sind einmal die hydrostatischen Gegebenheiten und die sich daraus ergeben­ de Kräfteverteilung, die Konsequenzen für die Gefäßdimen­ sionierung hat und zum anderen die Kapillarkräfte, die die Einstellung dünner Flüssigkeitsschichten erschweren.

Bei dem neu entwickelten Kollektorabsorber sind die vorge­ nannten Probleme gelöst. Er stellt sich als durchgängig feinprofilierte bzw. strukturierte Fläche dar, die vorzugs­ weise durch silikatische Materialien in verschäumter Form, als Faser oder Pulver gebildet wird.

Der Absorber kann dabei als ganzheitliche Platte oder Matte ausgeführt sein. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird über die Absorberoberfläche geführt, wobei sich der Flüs­ sigkeitsfilm kontinuierlich oder diskontinuierlich ausbil­ den kann.

Im drucklosen Zustand kann der Flüssigkeitsfilm durch einfaches Herabrieseln erzeugt werden.

Die Absorption der einfallenden Solarstrahlung erfolgt dabei

• a) in der Oberfläche des erfindungsgemäßen Absorbers, also beispielsweise der Absorberplatte oder -matte und/oder
• b) in der auf der Absorberoberfläche aufgebrachten Beschichtung (falls eine spezielle Absorberbeschichtung erfolgt ist) und/oder
• c) unmittelbar in der Wärmeträgerflüssigkeit.

Als zusätzliche Maßnahme zur weiteren Verbesserung der Absorbereffizienz können das Absorbermaterial, ggf. auch bloß die Absorberoberfläche und/oder die Absorberflüssig­ keit (bei indirektem Betrieb des Solarkollektors) einge­ färbt werden.

Durch die Summe dieser Maßnahmen, die zum Teil wie angege­ ben alternativ erfolgen können, weist der Absorber gegen­ über herkömmlichen Anlagen bzw. Systemen neue Eigen­ schaftsparameter im dynamischen Verhalten auf.

Zum Betrieb des Absorbers gehört eine Steuereinrichtung, die die Ausbildung des Flüssigkeitsfilms, also die Dosie­ rung der dem Absorber zugeleiteten Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit solcher Parameter, wie Einstrahlungsverhält­ nisse, Betriebsbedingungen und Verbrauchsparameter über­ wacht.

Zur Erreichung der gewünschten hohen Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit kann das Medium auch mehrfach im Kreislaufbetrieb über die Absorberfläche geführt werden.

Zum Betrieb des Absorbers gehört i.d.R. weiterhin eine angepaßte Speichereinrichtung.

Hierzu wird auf die Patentanmeldung P 42 15 270.4 verwie­ sen, in der vom gleichen Erfinder eine Vorrichtung zur Speicherung erwärmter Flüssigkeiten vorgeschlagen wird. Diese Vorrichtung gestattet mittels einer Kaskadenspei­ cheranordnung mit Überlaufsystem die Aufnahme vom Kollek­ tor und Speicherung der aufgeheizten Wärmeträgerflüssig­ keitspakete.

Eine besondere Ausführungsform eines auf das Betriebsver­ halten des erfindungsgemäßen Absorbers abgestimmten Wärme­ energiespeichers besteht darin, daß das jeweils aktive Speichervolumen variabel ist.

Die Einstellung dieses aktuellen Speichervolumens hängt dabei ab von den Einstrahlungsverhältnissen, den Betriebs­ bedingungen und Verbrauchsparametern.

Die bei dieser Speicherausführung erforderliche Abgrenzung des gewünschten Flüssigkeitsvolumens gegenüber dem übrigen Speicherraum wird durch einen besonders geformten Schwim­ merkörper erreicht, der gleichzeitig den thermischen Ab­ schluß bewirkt. Die Beweglichkeit des Schwimmerkörpers wird durch flexible Anschlußleitungen gewährleistet.

Bei Anlagen ohne Umwälzpumpe kann der Speicher trotzdem unterhalb des Kollektors angeordnet werden.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, die an der Energietransformation beteiligte Materialmasse so gering wie möglich zu halten, da der Absorber aus schlecht wärme­ leitendem Material besteht. Nach dem Prinzip der Strah­ lungsabsorption wird quasi nur die Materialoberfläche benötigt für die Ausbildung einer großen Absorberfläche, die in Ausdehnung und Volumen dem Flüssigkeitsfilm adäquat ist.

Das bedeutet, daß selbst eine geringe Einstrahlungsenergie eine starke Temperaturerhöhung in der absorbierenden Schicht bewirkt.

Um diese "Hochtemperaturenergie" als solche zu erhalten, ist es notwendig, sie mit einer entsprechend geringen Menge Wärmeträgerflüssigkeit in den Speicher zu transpor­ tieren.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 die Schnittdarstellung eines Kollektors mit erfindungsgemäßem Absorber,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Solaranlage mit Kollektor, Steuereinheit und Speicher,

Fig. 3 Prinzipdarstellung des Speichers mit variablem Flüssigkeitsvolumen.

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Kollektors mit erfindungsgemäßem Absorber in Einbaulage.

In den bekannten Aufbau eines thermischen Kollektors ist zwischen Thermoscheibe mit kammerförmigen Unterteilungen 6 und thermischer Isolation 7 der erfindungsgemäße Absorber als Absorberplatte 4 angeordnet.

Der Aufbau der Absorberplatte 4 aus im Sinne der Funk­ tionsweise aktiver Absorberoberfläche 1 und passivem Ab­ sorberträgermaterial 2 ist aus der zu Fig. 1 gehörenden vergrößerten Darstellung eines Absorberausschnitts er­ sichtlich.

Deutlich erkennbar ist die durch Strukturierung bzw. Profilierung wesentlich vergrößerte Kontaktoberfläche 1.

Da die Absorberfläche prinzipiell gegenüber der vertikalen Achse geneigt ist, erfolgt die definierte Aufgabe des Flüssigkeitsfilms 3 auf die Absorberfläche 1 mittels eines Dosierrohres 5.1, während die erwärmte Flüssigkeit über einen Abfluß 5.2 an der unteren Seite des Absorbers aufgenommen und zum Speicher 12 geleitet wird.

Wird nun die Absorberoberfläche 1 mit einem Flüssigkeits­ film überspült, so greift dieser Flüssigkeitsfilm die an der Oberfläche des Absorbers gebundene Strahlungsenergie ab. Die auf diese Weise erwärmte Flüssigkeitsmenge incl. der vom Flüssigkeitsfilm 3 selbst absorbierten Strahlungs­ energie wird für den unmittelbaren Verbrauch bzw. zur Deponie im Speicher 12 bereitgestellt.

Fig. 2 veranschaulicht eine in ihrer Betriebsweise auf den erfindungsgemäßen Absorber abgestimmte komplette Solaran­ lage.

Die Dosierung der dem Kollektor 8 zugeführten Flüssig­ keitsmenge erfolgt über Umwälzpumpe 9 und Dreiwegeventil 13 durch eine Steuereinrichtung mit Mikrorechner 10.

Über den eingezeichneten Kreislauf Kollektor 8 - Dreiwege­ ventil 13 - Puffer 11 - Umwälzpumpe 9 ist ein mehrfacher Kollektordurchlauf einer noch nicht ausreichend erwärmten Flüssigkeitsmenge möglich.

Die erwärmten Flüssigkeitspakete werden einem Kaskaden­ speicher 12 mit Wärmetauscher 14 zugeführt.

Aus Fig. 3 ist die Prinzipdarstellung eines erfindungs­ gemäßen Speichers mit variablem Flüssigkeitsvolumen zu entnehmen.

Der vorgestellte Speicher wurde vorzugsweise für autarke Solaranlagen entwickelt. Gegenüber den herkömmlichen Thermosiphonanlagen, bei denen das Speichergefäß prinzi­ piell höher als die Kollektoren positioniert sein muß, kann er unterhalb der Kollektoren angeordnet sein.

Diese Konstellation läßt sich insbesondere bei der Dach­ integration von Solaranlagen gefälliger einfügen. Ohne Flüssigkeit befindet sich der Schwimmerkörper 15, beste­ hend aus dem Behältnis für Heißwasser 15.1 und einer waagerechten Abschlußplatte 15.2, auf dem Boden des äuße­ ren Speichergefäßes.

Das vom Kollektor 8 zufließende erwärmte Wasser wird ent­ sprechend seiner Temperatur im Speicher plaziert. Erreicht der Warmwasserspiegel die waagerechte Abschlußplatte des Schwimmerkörpers 15, wird dieser beim weiteren Steigen des Wasserspiegels mit angehoben bis das maximal mögliche Speichervolumen in Anspruch genommen ist. Dabei werden die Leitungen zur Beladung und zur Heiß- und Warmwasserentnahme 16, die aus flexiblem Kunststoff bestehen, ebenfalls mit­ geführt. Der Schwimmerkörper 15 hat dann den Speicherge­ fäßdeckel erreicht.

Da sich im Speicher ausschließlich durch den Kollektor erwärmtes Wasser befindet und das Speichervolumen jeweils auf die aktuelle Warmwassermenge begrenzt wird, verringern sich die Wärmeverluste.

Claims (13)

1. Absorber für Solarkollektoren und zugehöriger Speicher, wobei der Absorber in Flach- oder Röhrenbauweise ausgeführt ist, nach Patentanmeldung P 42 24 968.6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorber aus schlecht wärmeleitenden, vorzugsweise silikatischen Materialien mit maximaler Absorber- bzw. Kontaktoberfläche (1) zwischen dem Absorberträgermaterial (2) und einem Flüssigkeitsfilm (3) aufgebaut sind, wobei die pro Einstrahlungsflächenein­ heit zu erwärmende Masse hinsichtlich Flüssigkeit und Absorber sehr klein ist, und daß ein auch für die Deponierung kleiner Wärmemengen angepaßter Speicher vorhanden ist.

2. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber als ganzheitliche Platte (4) oder Matte ausgeführt ist, wobei der Absorber­ werkstoff geschäumt, als Faser oder Pulver vorliegt.

3. Absorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ganzheitliche Absorber­ platte (4) zur Erzeugung einer maximalen Absorberoberflä­ che (1) fein profiliert bzw. strukturiert ist.

4. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption der einfallen­ den Strahlung in der Oberfläche (1) der Absorberplatte (4) oder -matte und/oder in einer auf der Absorberoberfläche (1) aufgebrachten Beschichtung und/oder unmittelbar in der Wärmeträgerflüssigkeit erfolgt.

5. Absorber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Absorber­ oberfläche (1) ausschließlich oder zusätzlich durch eine Folie erfolgt.

6. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorbermaterial (2) und/oder die Absorberoberfläche (1) und/oder die Absorber­ flüssigkeit (3) selbst eingefärbt sind.

7. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konstruktive Gestaltung des Absorbers im Sinne einer dosierten Aufgabe des Flüs­ sigkeitsfilmes (3) so erfolgt, daß der Flüssigkeitsfilm gleichmäßig über die Absorberfläche (1) verteilt ist.

8. Absorber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Aufgabe des Flüssigkeitsfilms (3) auf die Absorberfläche (1) vorzugs­ weise über ein Dosierrohr (5.1) erfolgt, das an der oben gelegenen Absorberseite angeordnet ist.

9. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Ausbildung des Flüssigkeitsfilms (3) ein Mikrorechner (10) vorhanden ist, der bei der Dosierung der Flüssigkeitsmenge die Ein­ strahlungsverhältnisse, Betriebsbedingungen und Ver­ brauchsparameter berücksichtigt.

10. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor zur Speicherung der aufgeheizten Wärmeträgerflüssigkeitspakete an eine Kaskadenspeicheranordnung (12) mit Überlaufsystem nach P 42 15 270.4 angeschlossen ist.

11. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor mit einem Speicher gekoppelt ist, bei dem das einspeicherbare Flüssigkeitsvolumen variabel ist.

12. Absorber nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim eingesetzten Speicher die Abgrenzung des Flüssigkeitsvolumens gegenüber dem übrigen Speicherraum durch einen besonders geformten Schwimmerkörper (15) erfolgt, wobei der Schwimmerkörper (15) gleichzeitig den thermischen Abschluß bildet.

13. Absorber nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen zur thermischen Beladung des Speichers sowie zur Heiß- und Warmwasserent­ nahme als flexible Kunststoffspiralen (16) ausgeführt sind, die mit dem Schwimmerkörper (15) in Verbindung stehen.