WO1999008052A1 - Solarthermische anlage mit einem sonnenkollektor und einem wärmespeicher - Google Patents

Solarthermische anlage mit einem sonnenkollektor und einem wärmespeicher Download PDF

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Heinz-Dieter Bürger
Yourii I. Aristov
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Saskia Solar- Und Energietechnik Gmbh
Institut Kataliza Sibirskogo Otdelenija Rossijskoj Akademii Nauk
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a solar thermal system with a solar collector and a heat storage downstream of this in the energy flow direction.
  • Known solar thermal systems of this type use a heat transfer fluid which circulates in the natural or forced circuit between the solar collector and the heat store and thereby transfers thermal energy, possibly with a phase change. To limit the heat losses in the heat storage, especially in periods with little
  • the present invention has for its object to provide a solar thermal system that has a simple structure and thermal energy for almost unlimited time can save a later consumption.
  • This object is achieved according to the invention by the system defined in claim 1.
  • a water-selective absorption material not only for long-term storage in the heat storage, but also for the solar collector, a uniform technology is created, and the operation of the system can be controlled by simple water pumps both with regard to the weather and time-dependent fluctuations in solar radiation and with regard to the swan. Optimize the desired heat extraction.
  • FIG. 1 shows schematically the system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a variant of FIG. 1.
  • a solar collector 1 can be seen, which is covered in the usual way with a glass pane 2 through which sunlight reaches a layer 3 that absorbs the solar radiation.
  • Distributed under the absorption layer in a porous or granular carrier body is a water-selective absorption material, which has the property of being hydrated when moisture is added and dehydrated again when heat is applied.
  • alkaline earth and alkali halides or sulfates such as CaCl 2 , LiBr, Na 2 S0 4 .
  • silica gel can be used as the carrier body. It is also advisable to provide the solar collector with heat insulation on the outside of the sides that are not exposed to solar radiation in order to avoid heat loss as far as possible.
  • the layer 3 for converting the solar radiation into heat can also be replaced by a transparent cover of the water-selective absorption material 4, in which case the carrier body itself, in which this material is finely distributed, converts the radiation energy into heat.
  • the carrier body then consists of black carbon, for example.
  • the space in which the absorption material 4 is located is connected via a steam line 5 to a heat exchanger 6 in the upper area of a heat accumulator 7.
  • the heat exchanger is shown as consisting of a plurality of parts lying at different heights, valves such as valves 19 and 20 being able to switch parts on or off further below, if necessary.
  • the cooled or already condensed steam at the outlet of the heat exchanger 6 arrives in a condensate container 8, which in turn is connected to a shower head in the solar collector via a water pipe containing a pump 9. If necessary, this shower head distributes water evenly over the absorption material 4 in the solar collector 1, while any remaining residual steam can be fed back into the steam line 5 via a valve 11.
  • the heat accumulator 7 is designed, for example, as an upright circular cylinder and, as usual, is surrounded by thermal insulation. It is also filled with a water-selective absorption material 12, which can be of the same type as the absorption material 4 in the solar collector, but need not be.
  • the carrier body in the heat store can also differ from that of the solar collector and, for example, have comparatively smaller pores in order to bring about the dehydration even at lower temperatures.
  • heat exchangers 13 for the various heat consumers.
  • the heat exchanger 13 In the lower area of the heat accumulator there are heat exchangers 13 for the various heat consumers. In the figure, only one such consumer 14 is shown, the is, for example, underfloor heating and is supplied with thermal energy via a heat exchanger 13.
  • a water recovery line 18 is also present, which contains a controllable pump 16 and, if required, conveys water from the lowest area of the heat accumulator 7 to a shower head 17 in the upper area of this heat accumulator.
  • a gradient in the degree of hydration of the absorption material occurs in the heat store 7: While the material in the uppermost area is largely dehydrated due to a previous heating period, free water can collect in the lowest area beyond the saturation of the absorption material, the heat content of which for the consumer, for example 14 is subtracted.
  • the system works as follows: It is assumed that the absorption material 4 of the solar collector is dehydrated, e.g. as a result of sun exposure the day before. In this state there is no free water in the solar collector 1, so that a drop in the outside temperature below freezing does not pose a danger.
  • the pump 9 Shortly before or at sunrise, the pump 9 is used to press condensate out of the container 8 into the shower 10, so that the absorption material is hydrated.
  • the released binding energy increases the temperature of the material without solar radiation. Due to the additional effect of the sun, the temperature then rises further to values at which the bound water is released again (dehydration) and flows as steam through line 5 into heat accumulator 7.
  • the supply of the collector 1 with water can be continued intermittently or continuously during the entire duration of the daily sunshine.
  • the steam releases its heat in the heat exchanger 6 to the upper area of the heat accumulator 7, which leads to partial condensation of the steam.
  • the condensate is collected in container 8, while the remaining steam is fed back into the steam line 5 or directly into the absorption material 4.
  • this steam cycle transports heat into the absorption material 12 of the heat accumulator 7 and leads to dehydration of the zone of the heat accumulator 7 which is immediately adjacent to the heat exchanger 6 or in adjacent zones if the former zone is already dehydrated.
  • the heat store is stable at a low temperature level with almost no loss. Even with a little costly thermal insulation, the energy can be stored in the memory 7 with little loss over long periods of time. However, thermal insulation is still useful because the hydration and dehydration process take place at higher temperatures, so poor external insulation of the storage would reduce the efficiency of these processes.
  • a negative pressure for example a partial air pressure of 1 mbar.
  • temperatures of 120 ° C or more arise, depending on the material selected.
  • the pressure rises in accordance with the water vapor isoster of the absorption material to up to about 0.8 bar.
  • a major advantage of the system according to the invention is that an absolute pressure of 1 bar is not achieved despite the high temperatures, because then the absorption material is completely dehydrated and becomes a good heat insulator. So higher pressures can hardly occur.
  • a valve 21 can also be seen in the steam line, which allows insulation of the heat accumulator if the energy captured in the solar collector is no longer sufficient to charge the accumulator, but is still sufficient for consumers 22 connected directly to the solar collector via its own heat exchanger 23 .
  • FIG 2 shows a variant of Figure 1, in which the heat exchanger 6 is omitted.
  • the same parts have the same reference numerals. So here the steam released in the solar collector is fed directly into the absorption material of the heat accumulator 7. The steam releases its evaporation energy and at the same time hydrates the absorption material 12. The condensate at the lower end of the heat accumulator arrives in the condensate container 8, from which the pump 16 takes water, if necessary, for the return to the shower head 17.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine solarthermische Anlage mit einem Sonnenkollektor und einem Wärmespeicher. Erfindungsgemäss enthalten der Sonnenkollektor (1) und der Wärmespeicher (7) je ein Chemiesorptionsmaterial (4; 12) für ein dampfförmiges Wärmeträgerfluid, das bei Wärmezufuhr aus diesem Material wieder entweicht, sowie je ein Mittel (9; 16) zur geregelten Zufuhr des Wärmeträgerfluids in flüssiger Form zu diesem Material.

Description

SOLARTHERMISCHE ANLAGE MIT EINEM SONNENKOLLEKTOR UND EINEM WÄRMESPEICHER
Die Erfindung bezieht sich auf eine solarthermische Anlage mit einem Sonnenkollektor und einem diesem in Energieflußrichtung nachgeordneten Wärmespeicher. Bekannte derartige solarthermische Anlagen verwenden ein Wärmeträgerfluid, das im natürlichen oder erzwungenen Kreislauf zwischen dem Sonnenkollektor und dem Wärmespeicher umläuft und dabei, gegebenenfalls unter Phasenumwandlung, thermische Energie überträgt. Um die Wärmeverluste im Wärme- Speicher zu begrenzen, insbesondere in Perioden mit wenig
Sonnenschein und bei tiefer Lufttemperatur, muß die Isolierung des Wärmespeichers sehr wirkungsvoll sein, was zu großem Volumen und hohen Kosten führt. Selbst mit großem Isolationsaufwand ist es bisher nicht gelungen, auf diese Weise Sonnenenergie vom Sommer bis in den nächsten Winter mit vernünftigem Wirkungsgrad, d.h. geringen Verlusten, zu speichern.
Es sind auch bereits, beispielsweise aus der Druckschrift DE 43 05 264 AI, Materialien bekannt, die Wärmeener- gie auf chemische Weise speichern. In dieser Druckschrift werden insbesondere Stoffe beschrieben, die zu umkehrbaren Hydratisierungs- und Dehydratisierungsvorgängen fähig sind. In der US-A-3 955 554 ist ein Solarsystem beschrieben, das auch derartige Stoffe verwendet und diese mit Schneckenförderern zwischen einem Wasserbad ( zur Wärmeentnahme ) und einer solaren Trocknungsstation ( zur chemischen Energiespeicherung ) hin- und herbefördert.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine solarthermische Anlage anzugeben, die einen einfachen Aufbau besitzt und Wärmeenergie nahezu zeitlich unbeschränkt für einen späteren Verbrauch zu speichern vermag. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 definierte Anlage gelöst. Durch Verwendung eines wasserselektiven Absoptionsmaterials nicht nur für die Langzeitspeicherung im Wärmespeicher, sondern auch für den Sonnenkollektor wird eine einheitliche Technologie geschaffen, und der Betrieb der Anlage läßt sich durch einfache Wasserpumpen sowohl hinsichtlich der witterungs- und tageszeitabhängigen Schwankungen der Sonnenstrahlung als auch hinsichtlich der Schwan- kungen der gewünschten Wärmeentnahme optimieren.
Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Aus- führungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Anlage. Fig. 2 zeigt eine Variante zu Figur 1. In Figur 1 ist ein Sonnenkollektor 1 zu sehen, der in üblicher Weise mit einer Glasscheibe 2 bedeckt ist, durch die Sonnenlicht auf eine die Sonnenstrahlung absorbierende Schicht 3 gelangt. Zwischen der Glasscheibe 2 und der Schicht 3 liegt vorzugsweise ein evakuierter Raum, um den Wärmeverlust dieser Schicht 3 durch die Scheibe 2 hindurch mittels Konvektion zu begrenzen. Unter der Absorptionsschicht befindet sich in einem porösen oder körnigen Trägerkörper verteilt ein wasserselektives Absorptionsmaterial, das die Eigenschaft hat, bei Feuchtigkeitszufuhr hydratisiert und bei Wärmezufuhr wieder dehydratisiert zu werden. Hier handelt es sich beispiels- weise um Erdalkali- und Alkali-Halogenide oder -Sulfate wie CaCl2, LiBr, Na2S04. Als Trägerkörper kommt beispielsweise Silicagel in Frage. Es empfiehlt sich auch, den Sonnenkollektor auf den nicht der Sonnenstrahlung ausgesetzten Seiten äußerlich mit einer Wärmeisolierung zu versehen, um Wärme- Verluste möglichst zu vermeiden. In einer Variante kann die Schicht 3 zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärme auch durch eine transparente Abdeckung des wasserselektiven Absorptionsmaterials 4 ersetzt sein, wobei dann der Trägerkörper selbst, in dem dieses Material fein verteilt vorliegt, die Strahlungsenergie in Wärme umwandelt. Der Trägerkörper besteht dann z.B. aus schwarzem Kohlenstoff.
Der Raum, in dem sich das Absorptionsmaterial 4 befindet, ist über eine Dampfleitung 5 mit einem Wärmetau- scher 6 im oberen Bereich eines Wärmespeichers 7 verbunden. In der Figur ist der Wärmetauscher als aus mehreren in verschiedenen Höhen liegenden Teilen bestehend dargestellt, wobei Ventile wie die Ventile 19 und 20 bei Bedarf weiter unten liegende Teile zu-oder abschalten können. Der abge- kühlte oder bereits kondensierte Dampf am Ausgang des Wärmetauschers 6 gelangt in einen Kondensatbehälter 8, der wiederum über eine eine Pumpe 9 enthaltende Wasserleitung mit einem Brausekopf im Sonnenkollektor verbunden ist. Dieser Brausekopf verteilt bei Bedarf Wasser gleichmäßig über das Absorptionsmaterial 4 im Sonnenkollektor 1, während ein verbleibender Restdampf wieder in die Dampfleitung 5 über ein Ventil 11 rückgespeist werden kann.
Der Wärmespeicher 7 ist beispielsweise als aufrecht stehender Kreiszylinder ausgebildet und wie üblich mit einer Wärmeisolierung umgeben. Er ist ebenfalls mit einem wasserselektiven Absorptionsmaterial 12 gefüllt, das von der gleichen Art wie das Absorptionsmaterial 4 im Sonnenkollektor sein kann, aber nicht sein muß. Auch der Trägerkörper kann im Wärmespeicher sich von dem des Sonnenkollektors unter- scheiden, und beispielsweise vergleichsweise kleinere Poren besitzen, um die Dehydratisierung schon bei niedrigeren Temperaturen zu bewirken.
Im unteren Bereich des Wärmespeichers befinden sich Wärmetauscher 13 für die verschiedenen Wärmeverbraucher. In der Figur ist nur ein solcher Verbraucher 14 gezeigt, der beispielsweise eine Fußbodenheizung ist und über einen Wärmetauscher 13 mit Wärmeenergie versorgt wird. Außerdem ist noch eine Wasserrückspeiseleitung 18 vorhanden, die eine steuerbare Pumpe 16 enthält und bei Bedarf Wasser aus dem untersten Bereich des Wärmespeichers 7 zu einem Brausekopf 17 im oberen Bereich dieses Wärmespeichers befördert.
Im Betrieb stellt sich im Wärmespeicher 7 ein Gefälle des Hydratisierungsgrads des Absoptionsmaterials ein: Während im obersten Bereich aufgrund einer vorangegangenen Heizperiode das Material weitgehend dehydratisiert ist, kann sich im untersten Bereich über die Sättigung des Absorptionsmaterials hinaus freies Wasser sammeln, dessen Wärmeinhalt beispielsweise für den Verbraucher 14 abgezogen wird. Die Anlage arbeitet folgendermaßen: Es sei angenommen, daß das Absorptionsmaterial 4 des Sonnenkollektors dehydratisiert ist, z.B. als Ergebnis der Sonneneinstrahlung am Vortag. In diesem Zustand befindet sich kein freies Wasser im Sonnenkollektor 1, sodaß auch ein Absinken der Außentemperatur unter den Gefrierpunkt keine Gefahr darstellt.
Kurz vor oder bei Sonnenaufgang wird mit der Pumpe 9 Kondensat aus dem Behälter 8 in die Brause 10 gedrückt, sodaß das Absorptionsmaterial hydratisiert wird. Dabei steigt durch die freiwerdende Bindungsenergie ohne Sonnen- einstrahlung bereits die Temperatur des Materials an. Durch die zusätzliche Wirkung der Sonne steigt die Temperatur dann weiter bis zu Werten, bei denen das gebundene Wasser wieder freigegeben wird (Dehydratisierung) und als Dampf durch die Leitung 5 in den Wärmespeicher 7 strömt. Die Speisung des Kollektors 1 mit Wasser kann intermittierend oder kontinuierlich während der ganzen Dauer des täglichen Sonnenscheins fortgesetzt werden. Der Wasserdampf gibt seine Wärme im Wärmetauscher 6 an den oberen Bereich des Wärmespeichers 7 ab, was zu einer Teilkondensation des Dampfes führt. Das Kondensat wird im Behälter 8 gesammelt, während der Rest- dampf in die Dampfleitung 5 oder direkt in das Absorptionsmaterial 4 zurückgeführt wird. Dieser Dampfkreislauf transportiert also im Ergebnis Wärme in das Absorptionsmaterial 12 des Wärmespeichers 7 und führt zu einer Dehydratisierung der dem Wärmetauscher 6 unmittelbar benachbarten Zone des Wärmespeichers 7 beziehungsweise in daran angrenzenden Zonen, falls die erstgenannte Zone bereits dehydratisiert ist.
Falls keine Energie durch die Verbraucher 14 entnom- men wird und die Sonne weiter scheint, schreitet der Dehy- dratisierungsprozess von oben nach unten im Wärmespeicher 7 fort, wobei zunehmend auch weiter unten liegende Teile des Wärmetauschers 6 über Ventile wie 19 und 20 zugeschaltet werden. Falls dagegen Energie aus dem Wärmespeicher entnom- men werden soll, pumpt man über die Rückspeiseleitung 18 mithilfe der Pumpe 16 Wasser, das sich im unteren Teil des Speichers 7 angesammelt hat, zur Brause 17, sodaß das Absorptionsmaterial von oben beginnend wieder hydratisiert wird. Dabei wird Wärme frei, und zwar auch, wenn nicht gleichzeitig Sonne den Kollektor 1 bestrahlt. Diese Wärme kann den Verbrauchern zugeführt werden.
Wenn keine Wärme über die Dampfleitung 5 zugeführt und keine Energie an die Verbraucher abgeführt wird, ist der Wärmespeicher nahezu verlustfrei auf niedrigem Temperaturni- veau stabil. Schon mit einer wenig aufwendigen Wärmeisolierung kann die Energie im Speicher 7 mit geringen Verlusten über große Zeiträume gespeichert werden. Eine Wärmeisolierung ist aber trotzdem sinnvoll, weil der Hydratisierungsund der Dehydratisierungsprozeß bei höheren Temperaturen ablaufen, sodaß eine schlechte Außenisolierung des Speichers den Wirkungsgrad dieser Prozesse verringern würde.
Es empfiehlt sich, um eine ungehinderte Dampfausbreitung in den Absorptionsmaterialien zu gewährleisten, diese Materialien und die angeschlossenen Dampf- und Wasser- leitungen einem Unterdruck auszusetzen, z.B. einem Partial- luftdruck von 1 mbar. Beim Einspeisen von Wasser in das dehydratisierte Absoptionsmaterial entstehen Temperaturen je nach gewähltem Material von 120°C oder mehr. Der Druck steigt dabei entsprechend den Wasserdampfisosteren des Absorptionsmaterials auf bis zu etwa 0,8 Bar. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage liegt darin, daß ein Absolutdruck von 1 Bar trotz der hohen Temperaturen nicht erreicht wird, denn dann ist das Absorptionsmaterial völlig dehydratisiert und wird ein guter Wärmeisolator. Höhere Drücke können also kaum auftreten.
In der Dampfleitung ist noch ein Ventil 21 zu sehen, das eine Isolierung des Wärmespeichers erlaubt, wenn die im Sonnenkollektor eingefangene Energie zwar nicht mehr zum Laden des Speichers, aber noch für über einen eigenen Wärme- tauscher 23 direkt an den Sonnenkollektor angeschlossene Verbraucher 22 ausreicht.
Figur 2 zeigt eine Variante zu Figur 1, bei der der Wärmetauscher 6 entfallen ist. Gleiche Teile tragen im übrigen die gleichen Bezugszeichen. Hier wird also der im Sonnenkollektor freigesetzte Dampf unmittelbar in das Absoptionsmaterial des Wärmespeichers 7 eingespeist. Der Dampf gibt absinkend seine Verdampfungsenergie ab und hydratisiert zugleich das Absorptionsmaterial 12. Das Kondensat am unteren Ende des Wärmespeichers gelangt in den Kondensatbehälter 8, aus dem die Pumpe 16 bei Bedarf Wasser für die Rückspeisung zum Brausekopf 17 entnimmt.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Wasserzufuhr zum Sonnenkollektor 1 und/oder den Wärmespeicher 7 in offenem Kreislauf auszuführen, d.h. daß nicht das gesammelte Wasser, sondern Frischwasser aus einer äußeren
Wasserleitung eingespritzt wird. Diese Möglichkeit ist durch ein Ventil 15 angedeutet.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Solarthermische Anlage mit einem Sonnenkollektor und einem diesem in Energieflußrichtung nachgeordneten
Wärmespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonnenkollektor (1) und der Wärmespeicher (7) je ein Chemisorptions- material (4, 12) für ein dampfförmiges Wärmeträgerfluid, das bei Wärmezufuhr aus diesem Material wieder entweicht, sowie je ein Mittel (9, 16) zur geregelten Zufuhr des Wärmeträger- fluids in flüssiger Form zu diesem Material enthalten.
2. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dampfleitung (5) den Sonnenkollek- tor (1) mit dem Inneren des Wärmespeichers (7) verbindet.
3. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie vom Sonnenkollektor zum Wärmespeicher über mindestens einen Wärmetauscher ( 6 ) ge- langt.
4. Solarthermische Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wärmetauscher ( 13 ) zur Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher vor- gesehen ist, dessen mit dem dampfförmigen Wärmeträgerfluid in Kontakt stehende Wände mit dem Chemisorptionsmaterial beschichtet sind.
5. Solarthermische Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgerfluid
Wasser bzw. Wasserdampf ist.
6. Solarthermische Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Chemisorptionsmaterial unter Erdal- kali- und Alkalihalogeniden sowie -Sulfaten ausgewählt wird.
7. Solarthermische Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Chemisorptionsmaterial in einem porösen oder körnigen Trägerkörper verteilt angeordnet ist.
8. Solarthermische Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Chemisorptionsmaterial (4, 12) einem Unterdruck ausgesetzt ist.
9. Solarthermische Anlage nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (9) zur geregelten Zufuhr des Wärmeträgerfluids in flüssiger Form zum Sonnenkollektor ( 1 ) dieses Fluid aus dem unteren Bereich des Wärmespeichers entnehmen.
10. Solarthermische Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zufuhr des Wärmeträgerfluids in flüssiger Form zum Wärmespeicher aus einem Kondensatbehälter (8) gespeist werden, der mit einem Kondensat- auslaß am Boden des Wärmespeichers verbunden ist.
11. Solarthermische Anlage nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur geregelten Zufuhr des Wärmeträgerfluids in flüssiger Form zum Sonnen- kollektor aus demselben Kondensatbehälter ( 8 ) gespeist werden, aus dem auch der Wärmespeicher gespeist wird.
12. Solarthermische Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (13) zur Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher sich außerhalb des Wärmespeichers befindet und primärseitig über Leitungen mit dessen Innerem verbunden ist.
13. Solarthermische Anlage nach einem der vorstehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Absorp- tionsmaterial des Sonnenkollektors ein Wärmetauscher ( 23 ) befindet, der mit einem oder mehrereren Verbrauchern (22) verbunden ist, und daß in der Dampfleitung (5), die den Sonnenkollektor (1) mit dem Wärmespeicher (7) verbindet, ein steuerbares Ventil (21) angeordnet ist.
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