DE10059265A1 - Solarthermische Anordnung - Google Patents

Abstract

Für eine solarthermische Anordnung werden Arbeitsmittel vorgeschlagen, welche mit der Wärmetransportflüssigkeit im Kollektor in Wärmekontakt stehen und die Antriebsleistung zur Umwälzung der Wärmetransportflüssigkeit aus einer Temperaturdifferenz ableiten. Insbesondere kann eine von den Arbeitsmitteln angetriebene Fördereinrichtung einen pulsierenden Flüssigkeitsstrom erzeugen und in einem Eingangsbereich des Kollektors eine zeitliche Temperaturdifferenz durch zyklisch variierende Temperatur zwischen strahlungserwärmter und nachströmender kalter Flüssigkeit ausnutzen. Aus der zyklischen Variation wird über ein Arbeitsmedium mit hoher Wärmeausdehnung ein Arbeitszyklus der Fördereinrichtung mit Leistung gespeist.

Description

Die Erfindung betrifft eine solarthermische Anordnung, bei welcher eine als Wärmetransportmedium dienende Flüssigkeit, typischerweise Wasser mit Zu­ satzstoffen, durch einen Kollektor gefördert und im Kollektor durch auf diesen einfallende Sonnenstrahlung erwärmt wird. Die Flüssigkeit wird im Regelfall in einem geschlossenen Kreislauf zwischen dem Kollektor und einem Speicher­ behälter umgewälzt mit niedriger Temperatur am Kollektoreingang und höherer Temperatur am Kollektorausgang. Die Förderung der Flüssigkeit durch den Kollektor kann bei oberhalb des Kollektors angeordnetem Speicherbehälter al­ lein durch Schwerkraftumwälzung erfolgen, was aber die bauliche Anordnung stark einschränkt. Üblicherweise wird zur Förderung der Flüssigkeit eine elek­ trisch betriebene Pumpe eingesetzt.

Aus der DE 197 13 345 A1 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme­ energie aus Solarkollektoren in elektrische Energie bekannt. Es wird ein Ar­ beitsmittel in den Kollektoren verdampft. Die Zufuhr und Regelung erfolgt über ein druck- und temperaturabhängiges Ventil. Entscheidend für die Funktions­ weise ist, daß der Arbeitsstoff durch eine Pumpe zurück zum Solarkollektor befördert wird. Die Pumpe kann nicht unmittelbar durch den Kreisprozess be­ trieben werden, sondern benötigt zum Betrieb elektrische Energie.

Die DE 197 05 313 A1 betrifft einen Solarkollektor mit Wärmeaufnahme im Ge­ genstrom und integrierter Wärmepumpe. Um den Kreisprozess aufrecht zu er­ halten, muß dem Kollektor das entspannte Arbeitsmedium wieder zugeführt werden. Hierzu ist nachteilig eine mechanische Pumpe erforderlich, die ihren Energiebedarf aus dem Kreisprozess deckt.

Aus der DE 198 54 839 C1 ist eine Wärmekraftmaschine bekannt, bei der im Zyklus Heliumgas erhitzt und abgekühlt wird. Nach dem Stirling Prinzip zeigt die DE 197 15 666 A1 ein Verfahren zur Umwandlung von Wärme aus der Umge­ bung in Arbeit auf. Diese Systeme sind aufwendig in der Konstruktion und las­ sen aufgrund der vielen mechanisch beweglichen Teile raschen Verschleiß er­ warten.

In der JP 912 60 51 ist eine Vorrichtung beschrieben, die mit Flüssigkolben ein schwingendes System derart bewirken, daß der Massenstrom, der einen Gene­ rator antreibt, ausschließlich unindirektional orientiert ist. Die US 51 95 321 zeigt eine Wärmemaschine mit Flüssigkolben. Soll mit diesen Systemen neben elektrischer Energie auch Wärme genommen werden, so ist nur mit aufwendi­ gen Mitteln und Zusatzenergie die Abwärme an den Kühlflächen abzuführen.

In der DE 197 42 660 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung von Sonnenenergie oder Wärmequellen zur Transformation von Entropie dis­ kutiert. Eine Möglichkeit der Ausgestaltung der Vorrichtung mit Flüssigkeits- Verdrängerkolben wird auf Seite 21 vorgestellt. Es wird versucht, mittels pen­ delnder Wassersäulen mechanische Arbeit an eine Welle auszukoppeln. Pri­ mär wird auch hier das Ziel verfolgt, mechanische Energie zu gewinnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solarthermische Anordnung anzugeben, welche auf neuartige Weise die Flüssigkeit durch den Kollektor fördert.

Die Erfindung ist im unabhängigen Patentanspruch beschrieben. Die abhängi­ gen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß keine elektrisch betriebene Pumpe erfor­ derlich ist und die Fördereinrichtung ihre Antriebsleistung aus einer Tempera­ turdifferenz ableitet, wobei es sich sowohl um eine zeitliche als auch räumliche Temperaturdifferenz handeln kann. Zur Ableitung der Antriebsleistung aus der Temperaturdifferenz stehen Arbeitsmittel mit der Flüssigkeit im Kollektor in Wärmekontakt und führen die Antriebsleistung der Fördereinrichtung zu.

Arbeitsmittel zur Ableitung von Antriebsleistung aus einer Wärmedifferenz sind beispielsweise als sogenannte Stirling-Motoren an sich bekannt, die aber we­ gen ihrer Komplexität für den Anwendungsfall außer Betracht bleiben.

Die Fördereinrichtung bewirkt in aufeinanderfolgenden Förderzyklen eine pul­ sierende Förderung der Flüssigkeit durch den Kollektor, wofür insbesondere in der Fördereinrichtung eine Arbeitskammer vorgesehen sein kann, welche ein veränderliches Volumen an Flüssigkeit enthält. Die Arbeitsmittel bewirken eine zyklische Erhöhung und Verringerung des Flüssigkeitsvolumens in der Arbeits­ kammer. Durch Ventile, insbesondere Rückströmsperren, z. B. nach Art von Rückschlagventilen, kann eine solche zyklische Volumenänderung in einen pulsierenden gerichteten Flüssigkeitsstrom durch die Fördereinrichtung umge­ setzt werden.

Eine vorteilhafte Ausführung einer solarthermischen Anordnung nach der Erfin­ dung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt.

Eine Wärmetransportflüssigkeit FL ist in einem geschlossenen Kreislauf geführt und als Vorlauf-Flüssigkeit FL (K) über eine Vorlaufleitung VL von einem nicht eingezeichneten Wärmespeicherbehälter mit niedriger Temperatur (K) einem solarthermischen Kollektor SK zugeleitet, in diesem durch einfallende Sonnen­ strahlung erwärmt und als Rücklauf-Flüssigkeit FL (W) höherer Temperatur (W) wieder zum Wärmespeicherbehälter zurückgeführt und dort durch das Spei­ chermedium auf die tiefere Temperatur K abgekühlt. Die Strömungsrichtung SR der Flüssigkeit FL ist durch zwei Rückströmsperren, beispielsweise Rück­ schlagventile V1 und V2 im Strömungsweg unumkehrbar festgelegt.

Für die Förderung der Flüssigkeit in Strömungsrichtung ist zwischen den beiden Ventilen V1, V2 eine Fördereinrichtung angeordnet, welche eine Arbeitskam­ mer AK umfaßt, welche teilweise mit der Flüssigkeit FL gefüllt ist. Der nicht von der Flüssigkeit in Anspruch genommene Teilraum der Arbeitskammer ist mit einem Arbeitsgas AG ausgefüllt und steht über eine Gasleitung GL in Verbin­ dung mit einer Kontaktkammer KK, welche mit dem Arbeitsgas AG gefüllt ist und in engem Wärmekontakt mit einem Eingangsbereich EK des Kollektors SK steht, so daß ein guter Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit FL (S), deren Temperatur (S) in diesem Eingangsbereich zyklisch variiert, und dem Arbeits­ gas AG gegeben ist. Die Trennwand zwischen der Flüssigkeit FL (S) im Ein­ gangsbereich EK des Kollektors und dem Arbeitsgas AG in der Kontaktkammer KK weist hierfür vorteilhafterweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine nied­ rige Wärmespeicherkapazität auf. Die Trennwand zwischen dem Kollektor kann für einen guten Wärmeübergang oberflächenvergrößert, z. B. gerippt, gewellt, mit Stegen etc. ausgeführt sein. Die Kontaktkammer kann auch in den Kollektor integriert sein, beispielsweise als Rohrschlange oder dgl. und vollständig von der Wärmetransportflüssigkeit umströmt werden (Fig. 5, Fig. 6). Die Gasleitung GL weist hingegen vorteilhafterweise einen geringen Querschnitt auf, um einen Wärmeaustausch des Arbeitsgases mit der Flüssigkeit in der Arbeitskammer AK niedrig zu halten.

Das Ventil V2 zeigt ein Öffnungsverhalten mit einer Hysterese bzw. einer Schaltschwelle in dem Sinne, daß das Ventil den Strömungsweg von der För­ dereinrichtung FE zum Kollektor SK einerseits erst dann freigibt, wenn ein Min­ destwert an Überdruck PA in der Arbeitskammer AK gegenüber dem Druck PK im Kollektor SK erreicht ist, und andererseits den Strömungsweg danach offen hält, bis der Überdruck in der Arbeitskammer einen wesentlich geringeren Rückstell-Schwellwert unterschreitet oder bis der Überdruck in der Arbeits­ kammer vollständig abgebaut ist und ein einsetzender Rückstrom das Ventil V2 wieder schließt. Durch das Hystereseverhalten des Ventils V2 erfolgt die Förde­ rung der Flüssigkeit zyklisch pulsierend.

Das Ventil V1 sei ein einfaches Rückschlagventil ohne oder mit sehr niedriger Öffnungsschwelle für einen Unterdruck in der Arbeitskammer AK gegenüber dem Druck in der Vorlaufleitung VL.

Die prinzipielle Wirkungsweise der Anordnung ist, ausgehend von auf niedriger Temperatur befindlichem Arbeitsgas in der Kontaktkammer KK, wie folgt be­ schrieben:
Bei niedriger Temperatur des Arbeitsgases nimmt dieses ein geringes Volumen ein und beansprucht insbesondere ein geringes Teilvolumen in der Arbeits­ kammer AK, so daß der Volumenanteil der Flüssigkeit FL in der Arbeitskammer hoch ist.

Durch Sonneneinstrahlung wird die Flüssigkeit FL (S) im Eingangsbereich EK des Kollektors SK erwärmt und durch den guten Wärmekontakt mit dem Ar­ beitsgas AG in der Kontaktkammer KK erhöht sich dessen Druck.

Bedingt durch die Öffnungsschwelle des Ventils V2 und die Sperrwirkung des Ventils V1 steigt bei zunehmender Temperatur der Flüssigkeit FL (S) und damit auch des Arbeitsgases AG in der Kontaktkammer der Druck des Arbeitsgases AG bei im wesentlichen gleichbleibendem Volumen so weit an, bis die Öff­ nungsschwelle des Ventils V2 erreicht wird. Mit Erreichen dieser Öffnungs­ schweife öffnet das Ventil V2 und Flüssigkeit FL (K) niedriger Temperatur strömt unter dem Einfluß des Überdrucks in der Arbeitskammer in den Ein­ gangsbereich EK des Kollektors SK und verdrängt dort die erwärmte Flüssigkeit und fördert zugleich Flüssigkeit FL (W) hoher Temperatur aus dem Kollektor in die Rücklaufleitung RL zum Wärmespeicherbehälter. Die Einströmung von Flüssigkeit FL (K) niedriger Temperatur in den Eingangsbereich setzt sich fort bis der Überdruck in der Arbeitskammer abgebaut ist. Der Einstrom von Flüs­ sigkeit aus der Arbeitskammer ist durch ein Ausgleichsvolumen im Flüssigkeits­ kreislauf, welches vorteilhafterweise groß ist gegen das Gasvolumen des Ar­ beitsgases und auch durch Ausgleich zum umgebenden Atmosphärendruck, vorzugsweise an der höchsten Stelle des Flüssigkeitskreislaufs, gegeben sein kann, aufgefangen.

Durch die Öffnungsschwelle des Ventils V2 erfolgt die Einströmung von Flüs­ sigkeit FL (K) niedriger Temperatur relativ schnell und das Volumen der beim Abbau des Überdrucks in der Arbeitskammer in den Eingangsbereich des Kol­ lektors nachströmenden Flüssigkeit ist vorteilhafterweise so groß, daß der in engem Wärmekontakt mit dem Arbeitsgas stehende Eingangsbereich EK weit­ gehend oder vollständig mit Flüssigkeit niedriger Temperatur gefüllt wird, bevor sich diese unter dem Einfluß der einfallenden Strahlung erwärmt. Die eingeströmte kühle Flüssigkeit entzieht dem entspannten Arbeitsgas kurzfristig Wärme. Das Volumen des Arbeitsgases und insbesondere dessen Volumen­ anteil in der Arbeitskammer AK nimmt ab, das Ventil V2 schließt oder ist bereits bei geringem Restüberdruck geschlossen und Flüssigkeit FL (K) niedriger Temperatur strömt aus der Vorlaufleitung VL durch das Ventil V1 in die Arbeits­ kammer AK nach.

Die in den Eingangsbereich EK eingeströmte Flüssigkeit erwärmt sich allmäh­ lich unter dem Einfluß der einfallenden Strahlung. Durch den engen Wärme­ kontakt mit der Flüssigkeit FL (S) im Eingangsbereich EK erwärmt sich auch das Arbeitsgas und der Druck in der Arbeitskammer AK steigt für einen neuen Förderzyklus wieder an.

Aus der zeitlich zyklischen Temperaturdifferenz im Eingangsbereich des Kol­ lektors kann damit die Antriebsleistung für die Förderung der Flüssigkeit abge­ leitet werden. Besonders vorteilhaft ist, daß die Anordnung selbstanlaufend, weitgehend unabhängig vom Temperatur-Arbeitspunkt und einfach aufgebaut ist. Eine elektrisch betriebene Pumpe wird nicht benötigt.

Alternativ zu der Hysterese im Verhalten des Ventils V2 könnte auch das Ventil V2 ohne Öffnungsschwelle ausgeführt und ein Ventil mit Schaltschwelle für Strömungen zur Arbeitskammer und im wesentlichen widerstandsfreier Rück­ strömung aus der Arbeitskammer in die Kontaktkammer in den Strömungsweg des Arbeitsgases zwischen Kontaktkammer und Arbeitskammer eingefügt sein.

In der Arbeitskammer können Arbeitsgas AG und Flüssigkeit auch durch eine Membran oder dgl. getrennt sein. Die Arbeitskammer kann auch vollständig mit der Flüssigkeit FL gefüllt sein und eine verschiebbare und/oder verformbare Wand aufweisen um eine Veränderung des Kammervolumens zu erreichen.

Anstelle des Arbeitsgases kann auch ein anderes Medium wie z. B. Paraffin, Wachs, Öl u. ä. als Arbeitsmedium mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten eingesetzt sein. Diese Medien zeigen zwar eine geringere Wärmeausdeh­ nung als ein Gas, sind aber kaum kompressibel und können daher hohe Ar­ beitskräfte aufbringen, z. B. zur Verschiebung eines Stempels, was mechanisch wiederum in eine ausreichend große Volumenänderung der Flüssigkeit FL in der Arbeitskammer AK umgesetzt werden kann. Eine der Druckerhöhung in einem Arbeitsgas entsprechende Energiespeicherung, z. B. bis zum Öffnen des Ventils V21, kann dabei durch Spannen eines Federelements erfolgen.

Die Fördereinrichtung ist vorzugsweise in geringem Abstand vom Kollektor SK und bei dessen Einströmanschluß angeordnet, kann aber auch auf der Aus­ gangsseite liegen. Die Rückströmsperren können auch den Kollektor zwischen sich einschließen, sind aber vorzugsweise in geringem Abstand von der Ar­ beitskammer angeordnet. Der Eingangsbereich EK kann auch selbst volumen­ veränderbar sein und dann als Arbeitskammer dienen. Der Eingangsbereich kann auch ein Kollektormodul vollständig einnehmen, welches dann vorzugs­ weise als Vorstufe eines weiteren Kollektormoduls dient.

Die beschriebene Anordnung nutzt die zeitliche Temperaturdifferenz im Ein­ gangsbereich des Kollektors aus und bewirkt einen pulsierenden Flüssig­ keitsstrom im Eingangsbereich EK des Kollektors und im gesamten Flüssig­ keitskreislauf. Es kann auch vorgesehen sein, aus einer Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Kollektors oder insbesondere zwischen Kollektor und Vorlauf eine Arbeitsleistung abzuleiten.

Eine vorteilhafte Ausführungsform für ein Rückschlagventil mit einem Hystere­ severhalten durch eine Öffnungsschwelle ist in Fig. 2 skizziert. Ein Kolben KO ist in Strömungsrichtung SR verschiebbar in einem Ventilkörper VK gelagert.

Ein Dichtring DR zwischen zwei einander in Strömungsrichtung gegenüberste­ henden Anlageflächen von Ventilkörper und Kolben sperrt bei gegenüber dem Druck PA auf Seiten der Arbeitskammer AK höherem Druck PK auf Kollektor­ seite (PK < PA) in der skizzierten Ventilposition den Strömungsweg zuverlässig ab.

Der Kolben weist eine Ringnut RN (oder entsprechende Vertiefungen oder Stufen) auf, in welchen im geschlossenen Ventilzustand unter der Einwirkung einer radial gerichteten Federkraft Kugeln KU, Bolzen oder dgl. an Nutenflan­ ken anliegen. Bei Aufbau eines Überdrucks PA in der Arbeitskammer gegen­ über dem Druck PK im Kollektor wird der Kolben zunächst in der geschlosse­ nen Ventilstellung gehalten, bis die Kraft auf den Kolben in Strömungsrichtung ausreicht, die radial in Bohrungen BO geführten Kugeln KU entgegen den Fe­ derkräften in die Bohrungen zu drücken und den Kolben aus der eingerasteten Stellung in Strömungsrichtung bis zu einem Anschlag zu verschieben. Dadurch rücken die Anlageflächen von Kolben und Ventilkörper auseinander und geben den Strömungsweg z. B. durch Kanäle KA im Ventilkörper frei. Die Kolbenstel­ lung bleibt auch bei sinkendem Überdruck in der Arbeitskammer erhalten.

Die Rückführung des Ventils in die skizzierte geschlossene Stellung erfolgt bei Einsetzen einer schwachen Rückströmung aus dem Kollektor zur Arbeitskam­ mer, wenn der Druck in der Arbeitskammer unter den Druck im Kollektor sinkt, wobei lediglich der Rollwiderstand/Gleitwiderstand der Kugeln zu überwinden ist. Die Rückführung in die Schließstellung kann durch eine Feder unterstützt sein.

Bei der in Fig. 3 skizzierten Anordnung ist als Arbeitsmedium AM in einer Kon­ taktkammer KKM eine fließfähige Substanz wie z. B. Wachs, Öl, Paraffin etc. mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten eingesetzt. Derartige Substanzen sind z. B. zur Temperaturregelung in sanitären Mischbatterien, bei Fensterhe­ bern u. a. unter Ausnutzung der hohen Wärmeausdehnung im Einsatz. Diese an sich bekannten Substanzen sind im wesentlichen nicht komprimierbar, so daß eine Erwärmung auch entgegen starkem Gegendruck in eine Volumenän­ derung umgesetzt wird. Im Beispiel der Fig. 3 wird die Volumenänderung des Arbeitsmediums AM bei einer durch die Wärmetransportflüssigkeit im Ein­ gangsbereich EK des Kollektors SK induzierten Temperaturänderung in eine eindimensionale Bewegung eines ersten Kolbens KM in einem ersten Zylinder ZM, der über eine Verbindungsleitung LM mit der Kontaktkammer KKM ver­ bunden ist, umgesetzt. Der Zylinder ZM kann auch direkt an der Kontaktkam­ mer ausgebildet sein.

In einer vollständig mit Wärmetransportflüssigkeit gefüllten Arbeitskammer AK2 ist ein weiterer Zylinder ZF ausgebildet, in welchem ein zweiter Kolben KF zur Veränderung des Kammervolumens verschiebbar ist. Die Verschiebungen des ersten Kolbens KM und des zweiten Kolbens KF sind über eine Kolbenstange KS starr miteinander gekoppelt. Die Querschnittsfläche QM des ersten Zylin­ ders ZM ist wesentlich, vorzugsweise um wenigstens einen Faktor f = 10, ins­ besondere wenigstens den Faktor f = 40 kleiner als die Querschnittsfläche QF des zweiten Zylinders ZF, QF = f × QM, so daß eine Änderung des Volumens des Arbeitsmediums AM um einen Wert dVM zu einer Volumenänderung dVF = f. dVM der Arbeitskammer AK2 führt. Die Arbeitskammer AK2 steht mit der Zuleitung zum Eingangsbereich des Kollektors zwischen den Rückschlag­ ventilen V1 und V2 in Verbindung. Die Kolben KM, KF sind gegen die jeweili­ gen Zylinderwände abgedichtet.

Gleichfalls mit der Zuleitung zum Eingangsbereich zwischen den Ventilen V1 und V2 verbunden ist ein Druckspeicher PS, welcher ein entgegen einer Rück­ stellkraft vergrößerbares Volumen an Wärmetransportflüssigkeit FL enthält. Die Rückstellkraft kann z. B. durch ein komprimierbares Gasvolumen, ein Gewicht, eine Feder DF auf einen Stempel ST u. ä. oder Kombinationen davon aufge­ bracht werden.

Ausgehend von niedriger Temperatur der Wärmetransportflüssigkeit FL im Kollektor und damit relativ geringem Volumen des Arbeitsmediums AM und durch die in der Skizze starre Kopplung der Kolben KM, KF relativ großem Vo­ lumen an Wärmetransportflüssigkeit in der Arbeitskammer AK2 und Stellung der beiden Kolben KM, KF relativ weit rechts in der Skizze nach Fig. 3 wird bei Erwärmung der Flüssigkeit im Eingangsbereich EK durch auf den Kollektor einfallende Strahlung und die Erwärmung und Ausdehnung des Arbeitsmedi­ ums AM der Kolben KM und damit auch der Kolben KF in der Skizze nach links verschoben und Flüssigkeit FL aus der Arbeitskammer FL verdrängt. Das Rückschlagventil V1 sperrt und auch das Ventil V2 bleibt bei Druckwerten un­ terhalb seiner Schaltschwelle geschlossen. Die Verdrängung von Flüssigkeit aus der Arbeitskammer wird dann ausgeglichen durch in den Druckspeicher PS einströmende Flüssigkeit, bis durch die Gegenkraft im Druckspeicher PS der Druck die Schaltschwelle des Ventils V2 überschreitet und Flüssigkeit niedriger Temperatur in den Eingangsbereich EK des Kollektors einströmt, bis der Über­ druck vor dem Ventil V2 gegenüber dem Druck im Kollektor abgebaut ist.

Durch die in den Eingangsbereich EK einströmende kühlere Flüssigkeit wird auch das Arbeitsmedium wieder abgekühlt und die Kolben KF, KM weichen unter dem Druck der durch das Ventil V1 nachströmenden Flüssigkeit in der Skizze nach rechts zurück.

Besonders vorteilhaft ist die Trennung des Druckspeichers PS von der Arbeits­ kammer durch eine weitere Rückströmsperre V3, wobei der Druckspeicher PS stromabwärts der Arbeitskammer liegt. Hierdurch kann die Druckaufbauphase bei Erwärmung des Arbeitsmediums von der Druckabbauphase bei der Abküh­ lung entkoppelt und eine besonders günstige Förderleistung erzielt werden. Die bei der Erwärmung stattfindende Verdrängung von Flüssigkeit aus der Arbeits­ kammer wird bis zum Öffnen des Ventils V2 vollständig zur Druckaufladung im Druckspeicher PS verwandt. Eine nach dem Öffnen des Ventils V2 noch wäh­ rend des Einströmens von Flüssigkeit in den Eingangsbereich des Kollektors stattfindende Abkühlung des Arbeitsmediums mindert die in diesem Zyklus ge­ förderte Flüssigkeitsmenge nicht, da die Rückströmsperre V3 bei Vergrößerung des Flüssigkeitsvolumens der Arbeitskammer AK2 sperrt und die Aufladung des Druckspeichers PS vollständig in einen Strom von Flüssigkeit niedriger Temperatur in den Kollektor entladen wird. Es kann dabei gleichzeitig ein Ein­ strömen von Flüssigkeit in den Eingangsbereich EK des Kollektors und ein Nachströmen von Flüssigkeit aus der Vorlaufleitung in die Arbeitskammer statt­ finden.

Bei der in Fig. 4 skizzierten Anordnung sind anstelle der in Zylindern ZM, ZF geführten Kolben KM, KF ein Faltenbalg FM auf Seiten des Arbeitsmediums AM in der Kontaktkammer KKM und ein Faltenbalg FF auf Seiten der Arbeits­ kammer AK2 mit zu den Kolben/Zylindern äquivalenter Wirkungsweise der Vo­ lumenänderung mit entsprechendem Querschnittsverhältnis vorgesehen. Die Faltenbälge FM, FF sind in ihren eindimensional veränderlichen Ausdehnungen hier nicht starr gekoppelt, sondern über eine Federanordnung FA mit Stempel und Feder verbunden und durch die Federanordnung in ihrem Koppelabstand veränderlich. Ausgehend von einer niedrigen Temperatur des Arbeitsmediums und damit geringer Ausdehnung des Faltenbalgs FM und großen, durch eine vorgespannte Federanordnung insbesondere maximalem, durch einen An­ schlag begrenztem Koppelabstand der beiden Faltenbälge dehnt sich der erste Faltenbalg FM auf Seiten der Kontaktkammer KKM mit dem Arbeitsmedium AM in Richtung des zweiten Faltenbalgs FF auf Seiten der Arbeitskammer AK2 aus. Solange die Schaltschwelle des Ventils V2 nicht erreicht ist, kann der Fal­ tenbalg FF nicht zusammengedrückt werden und die Ausdehnung des ersten Faltenbalgs FM führt zu einer Erhöhung der Federspannung in der Federan­ ordnung FA und zu einer Erhöhung des Drucks in der Arbeitskammer. Nach Erreichen der Schaltschwelle des Ventils V2 wird die Federspannung durch Zusammendrücken des zweiten Faltenbalgs FF unter Verdrängung von Flüs­ sigkeit aus der Arbeitskammer und Einströmen von Flüssigkeit niedriger Tem­ peratur in den Eingangsbereich EK des Kollektors abgebaut. Bei Abkühlen des Arbeitsmediums durch die in dem Eingangsbereich nachströmende kühlere Flüssigkeit wird der Faltenbalg FF durch die aus der Vorlaufleitung über das Ventil V1 in die Arbeitskammer einströmende Flüssigkeit expandiert und den Faltenbalg FM mit Unterstützung der vorgespannten Federanordnung zusam­ mengedrückt.

Das mittlere Volumen des Arbeitsgases AG bzw. des nicht komprimierbaren Arbeitsmediums AM ist von der mittleren Temperatur der Flüssigkeit im Ein­ gangsbereich des Kollektors abhängig. Damit variiert auch die mittlere Stellung der Kolben bzw. Faltenbalge in den Ausführungsformen nach Fig. 3 und Fig. 4. Um den konstruktiven Aufbau insbesondere für den Kolben bzw. Faltenbalg auf Seiten der Arbeitskammer gering zu halten, kann vorgesehen sein, die Länge der Kolbenstange KS bzw. der Federanordnung FA in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der Flüssigkeit im Eingangsbereich EK abhängig zu ma­ chen.

In Fig. 5 in Draufsicht und in Fig. 6 in Seitenansicht ist eine Kollektorausführung skizziert, bei welcher die Kontaktkammer mit einem Arbeitsgas AG oder einem im wesentlichen nicht kompressiblen Arbeitsmediums AM innerhalb des Ein­ gangsbereichs des Kollektors in Form einer Rohrschlange RS angeordnet ist, welche im skizzierten Beispiel einseitig abgeschlossen und mit dem anderen Ende aus dem Kollektor herausgeführt ist zu Verbindungsleitungen GL bzw. LM usw. Die so geformte und angeordnete Kontaktkammer ist allseitig von der Wärmetransportflüssigkeit umspült, um eine gute Wärmeübertragung mit ge­ ringer Verzögerung zu erzielen.

Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildun­ gen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedenen Kombinationen vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschrie­ benen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar. Die erfindungsgemäße Förderung einer Flüssigkeit kann auch bei anderer Anwendung als bei der solarthermi­ schen Speicherwärmegewinnung, beispielsweise zur Gewinnung elektrischer oder mechanischer Energie, z. B. Pumpenergie eingesetzt werden.

Claims (17)

1. Solarthermische Anordnung mit einer Flüssigkeits-Fördereinrichtung zur Förderung einer Flüssigkeit als Wärmetransportmedium durch einen so­ larthermischen Kollektor in vorgegebener Strömungsrichtung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fluidfördereinrichtung in aufeinanderfolgenden Förderzyklen einen pulsierenden Flüssigkeitsstrom durch den Kollektor bewirkt und daß Arbeitsmittel zum Antrieb der Fördereinrichtung mit der Flüssigkeit im Kollektor in Wärmekontakt stehen und die Antriebsleistung aus einer Temperaturdifferenz ableiten.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderein­ richtung eine Arbeitskammer mit veränderlichem Volumeninhalt an Flüs­ sigkeit umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeits­ kammer zwischen gleichsinnigen Rückströmsperren angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Arbeitskammer durch eine verschiebbare und/oder verform­ bare Wand der Kammer veränderbar ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderbarer Teil der Arbeitskammer ein Gas enthält.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittel ein Arbeitsfluid enthalten, dessen Wärmeausdeh­ nungskoeffizient im Betriebstemperaturbereich ein Mehrfaches des Wär­ meausdehnungskoeffizienten der Flüssigkeit beträgt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Gas als Arbeits­ fluid.

8. Anordnung nach Anspruch 7 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid einen Teil der Arbeitskammer ausfüllt.

9. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein unter den Be­ triebszuständen der Anordnung im wesentlichen nicht komprimierbares Fluid als Arbeitsfluid.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittel in Wärmekontakt mit einem Einströmbereich des Kollektors stehen.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitli­ che zyklische Temperaturdifferenz im Einströmbereich zur Ableitung der Antriebsleistung ausgenutzt wird.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturdifferenz zwischen Einströmbereich und Ausström­ bereich des Kollektors zur Ableitung der Antriebsleistung ausgenutzt wird.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Leitelement in einem Strömungsweg und/oder wenig­ stens ein zyklisch bewegtes mechanisches Element ein hysteresebehaf­ tetes Verhalten aufweist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rück­ strömsperre im Strömungsverlauf der Flüssigkeit und/oder ein Ventil in ei­ nem Strömungspfad des Arbeitsfluids eine Hysterese aufweist.

15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein kraftübertragendes mechanisches Element ein Hystereseverhalten zeigt.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittel über eine gegebene Kontaktfläche im Einströmbe­ reich des Kollektors in Wärmekontakt mit der Flüssigkeit stehen und die in einem Zyklus geförderte Flüssigkeitsmenge wenigstens so groß ist, daß der gesamten Kontaktfläche nachströmende Flüssigkeit niedrigerer Vor­ lauftemperatur zugeführt wird.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung beim Strömungseingang des Kollektors ange­ ordnet ist.