WO2015154912A1 - Solarthermischer speicherkollektor - Google Patents

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WO2015154912A1
WO2015154912A1 PCT/EP2015/053868 EP2015053868W WO2015154912A1 WO 2015154912 A1 WO2015154912 A1 WO 2015154912A1 EP 2015053868 W EP2015053868 W EP 2015053868W WO 2015154912 A1 WO2015154912 A1 WO 2015154912A1
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collector
tubes
plane
collector tubes
level
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PCT/EP2015/053868
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Inventor
Manuel SPRENGER
Uwe Clement
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F24S10/70—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits
    • F24S10/74—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits the tubular conduits are not fixed to heat absorbing plates and are not touching each other
    • F24S10/742—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits the tubular conduits are not fixed to heat absorbing plates and are not touching each other the conduits being parallel to each other
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    • F24S60/30—Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors storing heat in liquids
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    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the invention relates to a solar thermal storage collector with the features of
  • thermosiphon systems comprise the actual collector part with collector tubes, in which sunlight is absorbed and transferred to the heat transfer fluid in the form of heat, as well as a storage volume in which the heated heat transfer fluid is stored.
  • the storage volume is usually arranged above the collector part in order to obtain an automatic circulation due to the temperature-dependent differences in density of the heat transfer fluid.
  • Such Thermosiphonsystem are often perceived as unaesthetic due to the high storage volume arranged.
  • the high arrangement of the storage volume with a correspondingly high center of gravity causes a stable support structure for the storage volume is required. Accordingly, these thermosiphon systems can not be installed on all surfaces.
  • Collector tubes usually have an inner and an outer tube, wherein in the space between the tubes usually air or a vacuum is formed, which minimizes the heat loss to the outside.
  • the inner tube is flowed through by the heat transfer fluid.
  • the collector tubes allow a very efficient absorption of the energy of the sunlight and thus a rapid heating of the heat transfer fluid.
  • the air or the vacuum between the tubes also acts as an effective insulator, which effectively prevents heat losses from the heat transfer fluid to the outside. Accordingly, they are also particularly suitable as a storage for heated heat transfer fluid.
  • the collector tubes are formed as vacuum tubes.
  • a vacuum is formed between the inner tube and the outer tube, which represents a particularly good thermal insulator. Heat losses are kept so low.
  • both the inner tube and the outer tube is formed as a glass tube.
  • the closure element is temperature-controlled, wherein it is designed in particular as a bimetallic valve controlled.
  • a temperature-controlled closure element can then, for example, prevent hydraulic flow to the collector tubes arranged in the second plane and thus circulation, until a setpoint temperature of the heat transfer fluid in the collector tubes is reached.
  • the circuit to the collector tubes of the second and / or further level is opened automatically, ie automatically controlled by temperature, thus increasing the storage volume without the need for manual intervention. Rather, a fully automatic control is possible.
  • further levels are arranged with collector tubes on the side facing away from the first level side of the second level.
  • the available storage volume can be extended almost arbitrarily.
  • such a footprint of the storage collector can be kept small.
  • a volume per collector tube is between 3 and 6 liters, in particular between 4 and 5 liters.
  • Such collector tubes are relatively easy to handle and can in particular be carried and installed by a worker alone. Also, the production of such collector tubes is associated with relatively little effort. Thus, it is thus possible to assemble a solar thermal storage collector with little effort and cost and still obtain a sufficiently large storage volume.
  • the collector tubes of a plane are arranged in gap with the collector tubes of the adjacent plane.
  • Collector tubes adjacent layers are thus arranged offset by half a tube width. This results in a very compact, space-saving arrangement.
  • closure element for example, to the inlet or outlet of the collector tubes 3 of the upper level 2, but then a pin of hot water from the collector tubes 3 would be prevented with closed closure element.
  • a flow of a heat transfer fluid from the collector tubes 3 of the first level 2 to the collector tubes 5 of the second level 4 can be enabled or closed via the collector unit 8.
  • this flow is closed so that the heat transfer fluid circulates only within the collector tubes 3 of the first plane 2. This results in a fairly rapid heating of the heat transfer fluid, since the collector tubes 3 of the first level 2 serve as an absorber and accordingly convert the energy from sunlight into heat, which is transferred to the heat transfer fluid.
  • FIG. 4 now shows a storage collector 1 in which the collector tubes 3 of the first plane 2 are offset relative to the collector tubes 5 of the second plane 4.
  • the inner tubes 12 of the collector tubes 5 of the second level 4 are provided with a reflection layer 16.
  • This reflection layer 16 can take on two functions. On the one hand, it reflects solar rays 15 back onto the collector tubes 3 of the first level 2, so that they can be absorbed there. On the other hand, it can reduce heat radiation from the heat transfer fluid within the collector tubes 5, ie serve as a thermal insulator. This results in a higher overall efficiency.
  • FIG. 5 now shows a configuration which is slightly modified with respect to FIG.
  • the reflection layer 16 is not applied to the inner tubes 12, but on the outer tubes 14 of the collector tubes 5 of the second plane 4.
  • the same effect is achieved as in the embodiment of Figure 4, in which the reflection layer 16 on the inner tubes 12 is applied.
  • it is often easier to coat the outer tubes 14 than the inner tubes 12.
  • the invention is not limited to one of the exemplary embodiments shown, but can be modified in many ways. Thus, for example, more than two levels of collector tubes can be provided, which are then arranged geodetically below the second level. As a result, a larger storage volume can be made available.
  • the storage collector according to the invention comes through the use of collector tubes as a storage volume without an additional, separate tank. This provides advantages in terms of the external design, but also with respect to mechanical requirements for a support frame, since a center of gravity of the storage collector is displaced downwards. Accordingly, the support frame can be made smaller, so make do with less material, and are therefore made cheaper.
  • the reflective layer may comprise, for example, copper or aluminum to reflect back the rays of the sun passing past the absorption plates of the first plane. Such a reflection layer may also radiate heat radiation emitted from the second-level collector tubes back onto them, thereby reducing heat loss.
  • the closure elements can be assigned to the collector tubes of the first level, the second level and / or a further level, wherein an assignment to the collector tubes of the second level is preferred to allow emptying of the collector tubes of the first level even with closed closure elements.
  • every collector tube of a plane is assigned a closure element in order to enable individual control.
  • the invention provides a solar thermal storage collector, which is constructed with little effort and cost of many common parts, namely essentially of collector tubes. This means that it can also be used well in sunny but poorer regions. In addition, it offers high efficiency and rapid heating of the heat transfer fluid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Speicherkollektor mit mehreren, in einer ersten Ebene (2) nebeneinander angeordneten Kollektorröhren (3), die von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmbar sind und als Absorber für einfallende Sonnenstrahlen dienen. Ein Speichervolumen für die Wärmeträgerflüssigkeit wird durch weitere Kollektorröhren (5) bereitgestellt, die in einer zweiten Ebene (4) parallel zur ersten Ebene (2) angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Titel
Solarthermischer Speicherkollektor Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Speicherkollektor mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Solarthermische Speicherkollektoren werden üblicherweise zur kostengünstigen Brauchwassererwärmung eingesetzt, wobei insbesondere solare Thermosiphonsyste- me zum Einsatz kommen. Dabei wird als Wärmeträgerflüssigkeit in der Regel bereits
Brauchwasser eingesetzt, sodass auf einen zusätzlichen Wärmetauscher verzichtet werden kann. Diese Thermosiphonsysteme umfassen dabei den eigentlichen Kollektorteil mit Kollektorröhren, in dem Sonnenlicht absorbiert und in Form von Wärme auf die Wärmeträgerflüssigkeit übertragen wird, sowie ein Speichervolumen, in dem die er- wärmte Wärmeträgerflüssigkeit gespeichert wird. Dabei wird das Speichervolumen in der Regel oberhalb des Kollektorteils angeordnet, um eine automatische Zirkulation aufgrund der temperaturabhängigen Dichteunterschiede der Wärmeträgerflüssigkeit zu erhalten. Derartige Thermosiphonsystem werden aufgrund des weit oben angeordneten Speichervolumens häufig als unästhetisch empfunden. Darüber hinaus bewirkt die hohe Anordnung des Speichervolumens mit entsprechend hohem Schwerpunkt, dass eine stabile Tragkonstruktion für das Speichervolumen erforderlich ist. Dementsprechend können diese Thermosiphonsysteme auch nicht auf allen Untergründen installiert wer- den.
Es ist nun eine Aufgabe der Erfindung, einen solarthermischen Speicherkollektor anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik behoben werden. Insbesondere soll eine einfache, kostengünstige Herstellung ermöglicht werden sowie ein hoher Wir- kungsgrad bei gleichzeitig niedrigem Wärmeverlust erreicht werden. Auch soll der solarthermische Speicherkollektor möglichst einfach zu installieren sein. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen solarthermischen Speicherkollektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Bei einem solarthermischen Speicherkollektor mit mehreren, in einer ersten Ebene nebeneinander angeordnet Kollektorröhren, die von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmbar sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einer zweiten Ebene parallel zur ersten Ebene weitere von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmbare Kollektorröhren angeordnet sind.
Kollektorröhren weisen in der Regel ein inneres und ein äußeres Rohr auf, wobei im Zwischenraum zwischen den Rohren in der Regel Luft oder ein Vakuum ausgebildet ist, das die Wärmeverluste nach außen minimiert. Dabei wird das innere Rohr von der Wärmeträgerflüssigkeit durchflössen. Die Kollektorröhren ermöglichen dabei eine sehr effiziente Absorption der Energie des Sonnenlichts und damit eine schnelle Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit. Zum anderen wirkt die Luft oder das Vakuum zwischen den Rohren auch als wirksamer Isolator, der Wärmeverluste von der Wärmeträgerflüssigkeit nach außen wirksam verhindert. Dementsprechend sind sie auch als Speicher für erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit besonders geeignet.
Bei einem erfindungsgemäßen solarthermischen Speicherkollektor dienen die Kollektorröhren daher nicht nur als Absorber, also dazu, die Wärmeträgerflüssigkeit durch Absorption des Sonnenlichts zu erwärmen, sondern stellen auch das erforderliche Speichervolumen für die Wärmeträgerflüssigkeit bereit. Die Kollektorröhren der ersten Ebene sind dann funktional als Absorber und die Kollektorröhren der zweiten Ebene funktional als Speichervolumen eingesetzt. Damit ergibt sich eine kompakte quaderförmige Bauform des Speicherkollektors, wobei durch die Verwendung vieler Gleichteile, also der vielen gleich aufgebauten Kollektorröhren für zwei unterschiedliche Aufgaben, eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Typischerweise weist dabei das äußere Rohr einer Kollektorröhre einen Durchmesser von etwa 70 mm auf, während das innere Rohr einen Durchmesser von 58 mm hat. Bei einer Länge von 1800 mm ergibt sich dann ein Volumeninhalt des inneren Rohrs von 4,75 Litern. Wenn also beispielsweise in der zweiten Ebene 10 Kollektorröhren nebeneinander angeordnet sind, wird ein Speichervolumen von 47,5 Litern erhalten. Dazu kommt noch die Wärmeträgerflüssigkeit, die sich in den Kollektorröhren der ersten Ebene befindet. Bereits mit zwei Ebenen von Kollektorröhren ergibt sich so ein solarthermischer Speicherkollektor mit einem ausreichenden Speichervolumen für einen Ein-bis-Zwei-Personen-Haushalt. Dabei wird bei dieser Ausgestaltung der Schwerpunkt des Speicherkollektors gegenüber den üblichen Thermosiphonsystemen mit oben angeordnetem Speichervolumen in Richtung Boden verlagert. Mechanische Anforderungen an eine Tragkonstruktion, insbesondere einer Aufständerung, werden damit vermindert. Dementsprechend kann die Tragkonstruktion bzw. Aufständerung mit weniger Materialeinsatz hergestellt werden.
In Verbindung mit dem Verzicht auf ein großvolumiges, in einem zusätzlichen Element ausgebildetes Speichervolumen durch den Einsatz von Kollektorröhren ergibt sich somit eine merkbare Kostenersparnis und eine einfachere Ersatzteilversorgung.
Die Kollektorröhren können ein inneres Rohr und ein äußeres Rohr aufweisen, wobei das innere Rohr beispielsweise aus schwarzem Kunststoff oder als metallisches, insbesondere schwarz lackiertes Rohr ausgebildet ist. Als äußeres Rohr ist dabei vorzugsweise ein Glasrohr verwendet, das transparent für die einfallenden Sonnenstrahlen ist.
Bevorzugterweise sind die Kollektorröhren als Vakuumröhren ausgebildet. Dabei ist zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr ein Vakuum ausgebildet, dass einen besonders guten thermischen Isolator darstellt. Wärmeverluste werden so gering gehalten. Dabei ist insbesondere sowohl das innere Rohr als auch das äußere Rohr als Glasrohr ausgebildet.
Bevorzugterweise sind die Kollektorröhren der ersten Ebene mit den Kollektorröhren der zweiten Ebene über mindestens eine Sammlereinheit hydraulisch verbunden, wobei insbesondere an jedem Ende der Kollektorröhren eine Sammlereinheit angeordnet ist. Die Kollektorröhren sind in der Regel an ihren Enden offen und werden durch eine Sammlereinheit an jedem Ende hydraulisch miteinander verbunden. Dabei kann eine Sammlereinheit Anschlüsse zum Abführen und Zuführen von Wärmeträgerflüssigkeit aufweisen, es ist aber auch möglich, je eine Sammlereinheit mit einem Anschluss zu versehen, wobei der Anschluss der geodätisch tiefer liegenden Sammlereinheit als Zu- fuhranschluss und der an der geodätisch höher liegenden Sammlereinheit als Abfuhranschluss dient. Dadurch ist es möglich, identische aufgebaute Sammlereinheiten zu verwenden.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass zumindest in einer der Sammlereinheiten mindestens ein Verschlusselement angeordnet ist, mit dem eine Durchströmung zwischen erster Ebene und zweiter Ebene steuerbar ist. Es ist so relativ einfach möglich, eine schnelle Erwärmung eines Teils des Brauchwassers zu erreichen, indem ein Austausch der Wärmeträgerflüssigkeit zwischen den Kollektorröhren der ersten Ebene und denen der zweiten Ebene unterbunden wird. Die in den Kollektorröhren der ersten Ebene vorhandene Wärmeträgerflüssigkeit wird dann durch Absorption von Sonnenlicht relativ schnell erwärmt, sodass schnell warme Wärmeträgerflüssigkeit zur Verfügung steht. Eine Strömung der erwärmten Wärmeträgerflüssigkeit, die in den Kollektorröhren der ersten Ebene erwärmt wurde, in die Kollektorröhren der zweiten Ebene, kann dann anschließend erfolgen, ohne dass eine Temperaturschichtung zerstört wird.
Vorzugsweise ist jeder Kollektorröhre zumindest einer Ebene, insbesondere der zweiten oder einer weiteren Ebene, ein Verschlusselement zugeordnet. Die Verschlusselemente werden dann innerhalb der oberen oder unteren Sammlereinheit positioniert und können so den Eingang oder Ausgang der jeweiligen Kollektorröhre verschließen bzw. freigeben. Dabei können die Verschlusselemente gleichzeitig als Rückflussverhinderer ausgebildet sein, die einen Durchfluss von geodätisch niedrig nach höher zulassen, aber nicht umgekehrt. Die Verschlusselemente können schaltbar und/oder verstellbar ausgebildet sein. Zum Beispiel können die Verschlusselemente einschaltbar bzw. aktivierbar und ausschaltbar bzw. deaktivierbar sind. In anderer Ausführung können die Verschlusselemente auch in Stufen oder stufenlos verstellbar ausgebildet sein. Mit den Verschlusselementen kann ein Ein- und Ausströmen in die bzw. aus den verschlossenen Kollektorröhren unterbunden, gedrosselt oder ungedrosselt freigegeben werden.
Insbesondere kann zusätzlich eine temperaturabhängige Klappe vorgesehen sein, die bei Temperaturen, die größer als eine Solltemperatur sind, die Durchflussrichtung von geodätisch höher nach tiefer freigibt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass beim Abführen von Wärmeträgerflüssigkeit die Kollektorröhren aller Ebenen geleert werden können.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Verschlusselement temperaturgesteuert ist, wobei es insbesondere als Bimetall gesteuertes Ventil ausgebildet ist. Ein derartiges temperaturgesteuertes Verschlusselement kann dann beispielsweise bis zur Erreichung einer Solltemperatur der in den Kollektorröhren der ersten Ebene befindlichen Wärmeträgerflüssigkeit eine hydraulische Strömung zu den in der zweiten Ebene angeordneten Kollektorröhren und damit eine Zirkulation verhindern. Sobald zunächst nur das kleine Volumen in diesen oberen Kollektorröhren erwärmt ist, wird automatisch, also selbsttätig temperaturgesteuert, der Kreislauf zu den Kollektorröhren der zweiten und/oder weiteren Ebene geöffnet und das Speichervolumen somit erhöht, ohne dass ein manueller Eingriff erfolgen muss. Vielmehr ist eine vollautomatische Steuerung möglich. In einer bevorzugten Weiterbildung sind weitere Ebenen mit Kollektorröhren auf der von der ersten Ebene abgewandten Seite der zweiten Ebene angeordnet. Damit lässt sich das verfügbare Speichervolumen nahezu beliebig erweitern. Darüber hinaus kann so eine Grundfläche des Speicherkollektors klein gehalten werden.
Die weiteren Ebenen weisen dabei parallel zueinander angeordnete Kollektorröhren auf und sind parallel zur ersten und zweiten Ebene ausgerichtet. Die Kollektorröhren können dann über jeweils gemeinsame Sammeleinheiten verbunden sein, wobei gegebenenfalls auch noch weitere Verschlusselemente vorgesehen werden können, um eine Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit nach und nach zu ermöglichen, ohne dass das zur Verfügung stehende Speichervolumen sofort insgesamt erwärmt werden muss.
Vorzugsweise ist im montierten, betriebsbereit aufgestellten Zustand des Sonnenkollektors die erste Ebene geodätisch oberhalb der zweiten und gegebenenfalls weiteren Ebenen angeordnet. Sonnenlicht kann so ungehindert zu den Kollektorröhren der ersten Ebene gelangen und dort absorbiert werden. Damit ist eine effiziente Nutzung der im Sonnenlicht enthaltenen Energie möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Kollektorröhren der ersten Ebene eine Reflexionsschicht auf, wobei die Reflexionsschicht insbesondere innenseitig oder außenseitig eines Außenrohrs der Kollektorröhren angeordnet ist. Die Reflexionsschicht kann dann zum einen Wärmestrahlung nach außen verhindern, zum anderen aber auch dafür sorgen, das einfallende Sonnenlicht zu bündeln und damit eine effizientere Nutzung zu bewirken.
Alternativ oder zusätzlich ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Kollektorröhren der zweiten Ebene eine Reflexionsschicht aufweisen, wobei die Reflexionsschicht insbesondere innenseitig oder außenseitig eines Außenrohres oder eines Innenrohres der Kollektorröhren angeordnet ist. Einfallendes Sonnenlicht, das beispielsweise durch Zwischenräume zwischen Kollektorröhren der ersten Ebene gelangt, wird dann durch die Reflexionsschicht der Kollektorröhren der zweiten Ebene zurück auf die Kollektorröhren der ersten Ebene reflektiert und kann dort absorbiert werden. Damit ist ein hoher Wirkungsgrad erreichbar, da auch die von der Sonne abgewandte Hälfte der Kollektorröhren für die Absorption der Einstrahlung genutzt werden kann. Darüber hinaus kann die Reflexionsschicht ein Austreten von Wärmestrahlung aus den Kollektorröhren der zweiten Ebene verhindern und dient so als zusätzlicher Isolator, sodass auch über einen längeren Zeitraum nur geringe Wärmeverluste auftreten. Bevorzugterweise beträgt ein Volumen je Kollektorröhre zwischen 3 und 6 Liter, insbesondere zwischen 4 und 5 Liter. Derartige Kollektorröhren sind relativ einfach handhabbar und können insbesondere von einem Arbeiter alleine getragen und installiert werden. Auch ist die Herstellung derartiger Kollektorröhren mit relativ wenig Aufwand verbunden. Somit ist es damit möglich, mit geringem Aufwand und kostengünstig einen solarthermischen Speicherkollektor zusammenzusetzen und dennoch ein ausreichend großes Speichervolumen zu erhalten.
Dafür ist es bevorzugt, dass je Ebene 5 bis 20 Kollektorröhren nebeneinander angeordnet sind. Damit ergibt sich ein entsprechend großes Speichervolumen bei vertretbaren Kosten und mit vertretbarem Platzbedarf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Kollektorröhren einer Ebene auf Lücke mit den Kollektorröhren der benachbarten Ebene angeordnet. Kollektorröhren benachbarter Ebenen sind also um eine halbe Röhrenbreite versetzt angeordnet. Damit ergibt sich eine sehr kompakte, platzsparende Anordnung.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung sind die Kollektorröhren einer Ebene fluchtend mit den Röhren der benachbarten Ebene angeordnet. Die Kollektorröhren befinden sich also direkt über einander. Dadurch können alle Ebenen identisch aufgebaut sein.
Vorzugsweise verlaufen die Kollektorröhren des Speicherkollektors im montierten, betriebsbereit aufgestellten Zustand winkelig zur Horizontalen, insbesondere in einem Winkel zwischen 20° und 90°. Dadurch wird eine automatische Zirkulation aufgrund der temperaturbedingten Dichteunterschiede der Wärmeträgerflüssigkeit erreicht, und zwar sowohl bei geschlossenem Verschlusselement innerhalb der einzelnen Röhren bzw. zwischen den Röhren einer Ebene als auch bei geöffnetem Verschlusselement zwischen den Röhren der vorhandenen mindestens zwei Ebenen. Auf ein zusätzliches Förderelement, wie beispielsweise eine Pumpe, kann so verzichtet werden. Der Aufbau des Speicherkollektors wird so einfach gehalten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.
Hierin zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Speicherkollektor mit geschlossenem Verschlusselement, Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Speicherkollektor mit geöffnetem Verschlusselement,
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Speicherkollektor mit übereinander angeordneten Kollektorröhren,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Speicherkollektor mit versetzt angeordneten Kollektorröhren und einer Reflexionsschicht an Innenrohren und
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Sonnenkollektor mit einer Reflexionsschicht an Außenrohren.
In Figur 1 ist ein solarthermischer Speicherkollektor 1 im Längsschnitt dargestellt. In einer ersten, oberen Ebene 2 sind nebeneinanderliegend, in der Darstellung nach Figur 1 in die Zeichenebene hinein, mehrere Kollektorröhren 3 parallel zueinander angeordnet. In einer zweiten Ebene 4, die parallel zur ersten Ebene 2 liegt, sind weitere Kollektorröhren 5 parallel zueinander und zu den Kollektorröhren 3 angeordnet. An ihren Enden 6a, 6b, 7a, 7b sind die Kollektorröhren 3, 5 offen und über Sammlereinheiten 8, 9 hydraulisch miteinander verbunden. In der Sammlereinheit 8 sind dabei Verschlusselemente 10 angeordnet, wobei diese den Enden 7a der Kollektorröhren 5 der zweiten Ebene 4 zugeordnet sind. Es ist auch möglich, das Verschlusselement beispielsweise dem Eingang oder Ausgang der Kollektorröhren 3 der oberen Ebene 2 zuzuordnen, wobei dann jedoch ein Zapfen von warmem Wasser aus den Kollektorröhren 3 bei geschlossenem Verschlusselement verhindert würde. Mithilfe des Verschlusselementes 10 kann eine Durchströmung einer Wärmeträgerflüssigkeit von den Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 zu den Kollektorröhren 5 der zweiten Ebene 4 über die Sammlereinheit 8 freigegeben oder verschlossen werden. In der Darstellung nach Figur 1 ist dieser Durch- fluss geschlossen, sodass die Wärmeträgerflüssigkeit nur innerhalb der Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 zirkuliert. Damit erfolgt eine recht schnelle Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit, da die Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 als Absorber dienen und dementsprechend die Energie aus dem Sonnenlicht in Wärme umwandeln, die auf die Wärmeträgerflüssigkeit übertragen wird.
Die Kollektorröhren 3, 5 weisen jeweils ein Innenrohr 11, 12 und ein Außenrohr 13, 14 auf, wobei zwischen Innenrohr 11, 12 und Außenrohr 13, 14 bei diesem Ausführungsbeispiel ein Vakuum ausgebildet ist, das als Isolator dient. Die Kollektorröhren 3, 5 sind also als Vakuumröhren ausgebildet. Innerhalb des Innenrohrs 11, 12 befindet sich dann die Wärmeträgerflüssigkeit, die in den Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 mithilfe von Sonnenlicht erwärmt wird und in den Kollektorröhren der zweiten Ebene 4 gespeichert wird, wobei Wärmeverluste aufgrund des Vakuums zwischen dem Innenrohr 12 und dem Außenrohr 14 gering gehalten werden.
Figur 2 zeigt nun eine Figur 1 entsprechende Darstellung des Speicherkollektors 1, wo- bei das Verschlusselement 10 jedoch geöffnet ist, sodass die Wärmeträgerflüssigkeit zwischen den Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 und den Kollektorröhren 5 der zweiten Ebene 4 zirkulieren kann. Die Zirkulation wird dabei insbesondere durch Dichteunterschiede der Wärmeträgerflüssigkeit bewirkt, die durch die Erwärmung in den als Absorber dienenden Kollektorröhren 3 hervorgerufen werden.
Figur 3 zeigt nun einen Querschnitt durch einen Speicherkollektor 1. Dabei sind die Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 fluchtend oberhalb der dazu parallel in der zweiten Ebene 4 angeordneten Kollektorröhren 5 angeordnet. Sonnenstrahlen 15 werden im Wesentlichen durch die Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 absorbiert und erwärmen die dort befindliche Wärmeträgerflüssigkeit. Ein Teil der Sonnenstrahlen gelangt jedoch auch durch Zwischenräume zwischen den einzelnen Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 und trifft nun auf die Kollektorröhren 5 der zweiten Ebene 4. Diese Sonnenstrahlen werden dann von diesen Kollektorröhren 5 absorbiert und dienen somit ebenfalls zur Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit, auch wenn die wesentliche Absorption mittels der Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 erfolgt.
Figur 4 zeigt nun einen Speicherkollektor 1, bei dem die Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2 versetzt gegenüber den Kollektorröhren 5 der zweiten Ebene 4 angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine kompaktere Ausgestaltung. Zusätzlich sind die Innenroh- re 12 der Kollektorröhren 5 der zweiten Ebene 4 mit einer Reflexionsschicht 16 versehen. Diese Reflexionsschicht 16 kann dabei zwei Funktionen übernehmen. Zum einen reflektiert sie Sonnenstrahlen 15 zurück auf die Kollektorröhren 3 der ersten Ebene 2, sodass sie dort absorbiert werden können. Zum anderen kann sie eine Wärmestrahlung von der Wärmeträgerflüssigkeit innerhalb der Kollektorröhren 5 verringern, also als thermischer Isolator dienen. Damit ergibt sich insgesamt ein höherer Wirkungsgrad.
Figur 5 zeigt nun eine gegenüber Figur 4 leicht abgewandelte Ausgestaltung. Dabei ist die Reflexionsschicht 16 nicht auf den Innenrohren 12 aufgebracht, sondern auf den Außenrohren 14 der Kollektorröhren 5 der zweiten Ebene 4. Im Wesentlichen wird da- bei der gleiche Effekt erreicht, wie bei der Ausgestaltung nach Figur 4, bei der die Reflexionsschicht 16 auf den Innenrohren 12 aufgebracht ist. Allerdings ist es häufig einfacher, die Außenrohre 14 zu beschichten, als die Innenrohre 12. Die Erfindung ist nicht auf eines der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. So können beispielsweise mehr als zwei Ebenen von Kollektorröhren vorgesehen werden, die dann geodätisch unterhalb der zweiten Ebene angeordnet sind. Dadurch kann ein größeres Speichervolumen zur Verfügung gestellt werden.
Der erfindungsgemäße Speicherkollektor kommt durch die Verwendung von Kollektorröhren als Speichervolumen ohne einen zusätzlichen, separaten Tank aus. Dies ergibt Vorteile hinsichtlich der äußeren Gestaltung, aber auch hinsichtlich mechanischer Anforderungen an ein Traggerüst, da ein Schwerpunkt des Speicherkollektors nach unten verlagert wird. Dementsprechend kann das Tragegestell geringer dimensioniert werden, also mit weniger Material auskommen, und dementsprechend kostengünstiger hergestellt werden.
Die Reflexionsschicht kann beispielsweise Kupfer oder Aluminium aufweisen, um die Sonnenstrahlen, die an den zur Absorption dienenden Kollektorröhren der ersten Ebene vorbeigehen, zurück zu reflektieren. Eine derartige Reflexionsschicht kann auch eine Wärmestrahlung, die von den Kollektorröhren der zweiten Ebene ausgestrahlt wird, auf diese zurück strahlen und damit Wärmeverluste verringern.
Die Kollektorröhren können insbesondere aus Glas hergestellt werden, also mit einem Glasrohr als Innenrohr und einem weiteren Glasrohr als Außenrohr, wobei im Zwischenraum ein Vakuum ausgebildet ist, das Wärmeverluste nach außen minimiert. Dabei kann auf dem Innenrohr eine selektive Absorberschicht aufgedampft werden, die zum einen die Sonnenstrahlen gut absorbiert und zum anderen wenig Wärmestrahlung nach außen emittiert.
Die Reflexionsschicht kann ebenfalls aufgedampft sein, es ist aber auch denkbar, diese beispielsweise als einfaches Aluminiumklebeband von außen auf das Außenrohr aufzukleben. Dabei ist die Reflexionsschicht insbesondere um den ganzen Umfang der Kollektorröhren der zweiten Ebene und gegebenenfalls weiterer Ebenen angeordnet, es ist aber auch denkbar, diese nur auf einen Teilumfang anzubringen.
Über die Sammlereinheiten werden die Kollektorröhren an ihren Enden dicht miteinander verbunden, wobei die Sammlereinheiten eine hydraulische Verbindung sowohl zwischen den Kollektorröhren einer Ebene als auch zwischen den Ebenen selbst herstellen. Mithilfe einer oder mehrerer Verschlusselemente kann dabei der Strom der Wärmeträgerflüssigkeit beeinflusst werden, wobei die Verschlusselemente idealerweise an der höheren Stelle der beiden Sammlereinheiten angeordnet sind. Durch eine entspre- chende Steuerung kann ein schnelles Erwärmen erreicht werden, indem das zusätzliche Speichervolumen, das durch die Kollektorröhren der zweiten und weiteren Ebenen zur Verfügung gestellt wird, erst dann geöffnet wird, wenn eine ausreichende Erwärmung innerhalb der Kollektorröhren der ersten Ebene erfolgt ist. Dabei strömt die Wärmeträgerflüssigkeit so langsam, dass sich eine Schichtung einstellt, ohne dass ein bereits erwärmtes Volumen der Wärmeträgerflüssigkeit durchmischt und wieder abgekühlt wird. Die Verschlusselemente können dabei den Kollektorröhren der ersten Ebene, der zweiten Ebene und/oder einer weiteren Ebene zugeordnet sein, wobei eine Zuordnung zu den Kollektorröhren der zweiten Ebene bevorzugt wird, um auch bei geschlossenen Verschlusselementen ein Entleeren der Kollektorröhren der ersten Ebene zu erlauben. Dabei ist insbesondere jeder Kollektorröhre einer Ebene ein Verschlusselement zugeordnet, um eine individuelle Ansteuerung zu ermöglichen.
Insgesamt bietet die Erfindung einen solarthermischen Speicherkollektor, der mit geringem Aufwand und kostengünstig aus vielen Gleichteilen, nämlich im Wesentlichen aus Kollektorröhren, aufgebaut ist. Damit ist er auch in sonnenreichen aber ärmeren Regionen gut einsetzbar. Darüber hinaus bietet er einen hohen Wirkungsgrad und eine schnelle Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit.

Claims

Ansprüche
1. Solarthermischer Speicherkollektor mit mehreren, in einer ersten Ebene (2) nebeneinander angeordneten Kollektorröhren (3), die von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Ebene (4) parallel zur ersten Ebene (2) weitere von der Wärmeträgerflüssigkeit
durchströmbare Kollektorröhren (5) angeordnet sind.
2. Speicherkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens eine Sammlereinheit (8, 9) die Kollektorröhren (3) der ersten Ebene (2) untereinander und mit den Kollektorröhren (5) der zweiten Ebene (4) hydraulisch verbunden sind, wobei insbesondere an jedem Ende (6a, 6b, 7a, 7b) der Kollektorröhren (3, 6) eine Sammlereinheit (8, 9) angeordnet ist.
3. Speicherkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sammlereinheit (8, 9) mindestens einen Anschluss zum Abführen und/oder Zuführen von Wärmeträgerflüssigkeit aufweist.
4. Speicherkollektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einer der Sammlereinheiten (8, 9) mindestens ein Verschlusselement (10) angeordnet ist, mit dem eine Durchströmung zwischen erster Ebene (2) und zweiter Ebene (4) steuerbar ist.
5. Speicherkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (10) temperaturgesteuert ist, wobei es insbesondere als Bimetall gesteuertes Ventil ausgebildet ist.
6. Speicherkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Ebenen mit Kollektorröhren parallel zur ersten Ebene (2) und zur zweiten Ebene (4) angeordnet sind.
7. Speicherkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im montierten Zustand des Speicherkollektors (1) die erste Ebene (2) geodätisch oberhalb der zweiten Ebene (4) und gegebenenfalls weiterer Ebenen angeordnet ist.
8. Speicherkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorröhren (3) der ersten Ebene (2) eine Reflexionsschicht aufweisen, wobei die Reflexionsschicht insbesondere innenseitig oder außenseitig eines Außenrohrs (13) der Kollektorröhren (3) angeordnet ist.
9. Speicherkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorröhren (5) der zweiten Ebene (4) eine Reflexionsschicht (16) aufweisen, wobei die Reflexionsschicht (16) insbesondere innenseitig oder außenseitig eines Außenrohrs (14) oder eines Innenrohrs (12) der Kollektorröhren angeordnet ist.
10. Speicherkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen je Kollektorröhre (3, 5) zwischen 3 und 6 Liter, insbesondere zwischen 4 und 5 Liter beträgt.
11. Speicherkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je Ebene 5 - 20 Kollektorröhren (3, 5) nebeneinander angeordnet sind.
12. Speicherkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kollektorröhren (3, 5) einer Ebene (2, 4) versetzt zu den Kollektorröhren (3, 5) der benachbarten Ebene (2, 4) angeordnet sind.
13. Speicherkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorröhren (3, 5) einer Ebene (2, 4) fluchtend mit den Kollektorröhren (3, 5) der benachbarten Ebene (2, 4) angeordnet sind.
14. Speicherkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorröhren (3, 5) des Speicherkollektors (1) im montierten Zustand winklig zur Horizontalen verlaufen, insbesondere in einem Winkel zwischen 20° und 90°.
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