DE102007043964A1

DE102007043964A1 - Solarkollektor mit angeschlossenem Behälter zur Speicherung von Warmwasser

Info

Publication number: DE102007043964A1
Application number: DE102007043964A
Authority: DE
Inventors: Ingo Lankmayr; Erwin Hochreiter
Original assignee: Greenonetec Solarindustrie GmbH
Current assignee: Greenonetec Solarindustrie GmbH
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-15
Also published as: DE102007043964B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit angeschlossenem Behälter zur Speicherung von Warmwasser.

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit angeschlossenem Behälter zur Speicherung von Warmwasser.
Üblicherweise durchläuft das von einem Solarkollektor erwärmte Arbeitsfluid, beispielsweise Glykol, einen Wärmetauscher und das so erwärmte Wasser wird beispielsweise in einen zentralen Pufferspeicher geführt. Dabei sind mehrere Solarkollektoren einem Wärmetauscher und einem Pufferspeicher zugeordnet.
Insbesondere für dezentrale Anwendungen, wie Bauernhöfe, Campingplätze, Ferienhäuser oder dergleichen ist es bekannt, einen Warmwasser-Speicherbehälter direkt an einen Solarkollektor oder eine Gruppe von Solarkollektoren anzuschließen. Dabei bilden Solarkollektor/Warmwasserspeicher eine Baueinheit. Gemäß DE 42 39 286 A1 sind Solarkollektor und Warmwasserspeicher in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Gemäß DE 298 11 467 U1 wird ein Warmwasserbehälter hinter einem Solarkollektor, aber mit diesem in einem gemeinsamen Gerüst konfektioniert.
Für die genannten Anwendungszwecke haben sich solche Solarkollektoren grundsätzlich bewährt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistungsfähigkeit einer solchen Kollektor-/Warmwasserspeicher-Einheit ohne großen technischen Aufwand zu erhöhen.
Im Stand der Technik wird das erwärmte Arbeitsfluid über eine Sammelleitung durch den Behälter-Innenraum geführt, wobei das Arbeitsfluid die Wärme an das Wasser abgibt. Das abgekühlte Arbeitsfluid wird anschließend in den Kollektor zurückgeführt.
Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung vom Fluid auf das Wasser lässt sich erheblich steigern, wenn der Warmwasserspeicher (Behälter) mit einem Doppelmantel ausgebildet wird und das erwärmte Fluid entlang dieses Doppelmantels geführt wird.
Bei dieser Konstruktion steht die gesamte Oberfläche des Behälters, entlang der sich der Doppelmantel erstreckt, als Wärmeübertragungsfläche auf das Wasser zur Verfügung. Die Wärmeübertragung erfolgt von Außen nach Innen. Totvolumina werden im Vergleich mit den "Tauchsieder-Lösungen" gemäß Stand der Technik deutlich reduziert und damit der Wirkungsgrad des Wärmetauschers zusätzlich erhöht.
Der Behälter muss nicht komplett einen Doppelmantel aufweisen. Es genügt meistens, wenn Abschnitte der Behälterwand doppelwandig ausgebildet sind. Beispielsweise bei einem rohrförmigen Behälter ist es günstig, wenn die zylindrische Umfangswand doppelwandig ausgebildet ist, während Boden und Deckel konventionell gestaltet sein können.
In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung danach einen Solarkollektor mit angeschlossenem Behälter zur Speicherung von Warmwasser, wobei

– der Behälter ein Gehäuse aufweist, daß zumindest teilweise doppelwandig ausgebildet ist und einen Hohlraum begrenzt, und
– eine Leitung zum Transport eines im Solarkollektor erwärmten Arbeitsfluids an einem Ablauf aus dem Solarkollektor herausgeführt ist und an einem ersten Endabschnitt des Behälters in dem Hohlraum einmündet sowie an einem zweiten Endabschnitt des Behälters aus dem Hohlraum herausgeführt und in einen Zulauf des Solarkollektors zurückgeführt ist.

Ein solcher Solarkollektor lässt sich bevorzugt mit einem Arbeitsfluid betreiben, welches bei Erreichen einer bestimmten Temperatur (unter normalen Einsatzbedingungen des Kollektors) verdampft. Hierzu zählen Ethanol und Wasser. Im Solarkollektor wird das Ethanol verdampft, sobald die entsprechende Solarenergie und Druckverhältnisse bereitstehen, gelangt dann als Dampf in den Doppelmantel des Warmwasserspeichers, kondensiert dort und läuft als Flüssigkeit, vorzugsweise unter Gravitation, entlang des Doppelmantels durch die Rückführleitung in den Solarkollektor zurück. Durch die Kondensation des Arbeitsfluids wird die Wärmeabgabe an das Wasser im Behälter optimiert. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung sind die Verdampfungs-/Kondensationswechsel des Arbeitsfluids. Auf diese Weise lässt sich bei geringem Primärenergieaufwand ein hoher Wirkungsgrad erreichen.
Als Arbeitsfluid können aber auch konventionelle Kältemittel, wie Glykol, eingesetzt werden.
Nach einer Ausführungsform ist der erste Endabschnitt des Behälters benachbart im Ablauf des Solarkollektors angeordnet. Mit anderen Worten: Das erwärmte Arbeitsfluid soll auf kürzestem Weg vom Kollektor in den Doppelmantel des Behälters geführt werden, um Wärmeverluste zu vermeiden.
Damit die Zuführung des Arbeitsfluids in die Behälterwand durch Gravitation erfolgen kann, muss der erste Endabschnitt des Behälters unterhalb des Ablaufes des Solarkollektors angeordnet sein.
Der zweite Endabschnitt des Behälters ist entsprechend so anzuordnen, daß der Abstand zum ersten Endabschnitt möglichst groß ist. Im Regelfall wird der erste Endabschnitt des Behälters ein oberes Ende und der zweite Endabschnitt des Behälters ein unteres Ende bilden, wobei letzteres benachbart zum Zulauf des Solarkollektors angeordnet wird, um wiederum auf kürzestem Wege die Rezirkulation des Arbeitsfluids sicherzustellen.
Auch hier gilt, daß der zweite Endabschnitt des Behälters oberhalb des Zulaufs des Solarkollektors angeordnet sein sollte, um eine Gravitationsförderung zu unterstützen.
Der Behälter kann aus Stahlblech bestehen. Aus Korrosionsgründen bietet es sich an, den Behälter innenseitig zu emaillieren. Der Behälter kann aber auch aus anderen Werkstoffen bestehen.
Um auch bei diffuser Wärmestrahlung oder unerwartetem Warmwasserbedarf eine Warmwasserversorgung sicherzustellen, sieht eine Ausführungsform vor, im Behälter einen elektrischen Heizstab anzuordnen, und zwar benachbart zum ersten Endabschnitt des Behälters, d. h., insbesondere am oberen Ende des Behälters, also in dem Bereich, in dem regelmäßig die höchste Wassertemperatur innerhalb des Behälters herrscht. Hier erfolgt auch die Entnahme von warmem Wasser. Die Zufügung von Kaltwasser ist am gegenüberliegenden, unteren Behälterende.
Der Wirkungsgrad des Kollektors ist am höchsten, wenn der Kollektor eine gewisse Neigung zur Vertikalen/Horizontalen aufweist. Anders ausgedrückt: Eine Sonneneinstrahlung, mehr oder weniger normal zur Kollektor-Oberfläche, schafft die höchsten Wirkungsgrade. Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Behälter ebenfalls geneigt angeordnet wird, also seine Achse weitestgehend parallel zur Oberfläche des Solarkollektors verläuft. Dies ist Platz sparend und schafft die Möglichkeit, den Doppelmantel des Behälters entsprechend großflächig auszubilden und damit den Wirkungsgrad weiters zu erhöhen. Der Behälter verläuft vorzugsweise hinter dem Kollektor, also auf der Schattenseite des Kollektors.
Kollektor und Behälter können dann auf einem Stützgerüst angeordnet und beispielsweise auf einem Dach, einer Wiese oder sonst wo angeordnet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Solarkollektors mit angeschlossenem Behälter zur Speicherung von Warmwasser in schematisierter Darstellung.
Der Solarkollektor trägt das Bezugszeichen 10. Er entspricht bekannter Bauart und wird deshalb hier nicht näher beschrieben. Er weist, wie üblich, ein Absorberblech, vorzugsweise ein profiliertes Absorberblech sowie dahinter angeordnete Fluidleitungen auf, die endseitig in eine Sammelleitung 12 für das Arbeitsfluid einmünden. Im Ausführungsbeispiel ist der Solarkollektor 10 etwa 40° gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet. Dabei steht er mit seinem in der Figur linken unteren Ende sowie einer Stütze 14 auf einem (nicht dargestellten) Boden. Die Stütze ist über ein Gelenk 16 und einer Halterung 18 mit dem Solarkollektor 10 verbunden. Die Halterung 18 umgreift weiters einen Behälter 20, der auf der der Sonne abgewandten Seite des Kollektors 10 angeordnet ist und hält diesen an einem ersten Endabschnitt 22 fest. An einem zweiten Endabschnitt 24 des Behälters ist eine weitere Halterung 26 für den Behälter 20 vorgesehen, die über ein weiteres Gelenk 28 und eine Stange 30 an der Stütze 14 angelenkt ist.
Der im Wesentlichen zylinderförmige Behälter 20 ist dabei so angeordnet, daß seine (gedachte) Achse (A-A) etwa parallel zur Glasoberfläche 10G des Solarkollektors 10 verläuft.
Der Behälter 20 ist im Bereich seiner Umfangsfläche 22U entlang einer mit L gekennzeichneten Strecke mit einem Doppelmantel 32 ausgebildet, also doppelwandig. Hiermit wird zwischen einer inneren Begrenzungswand 32I und einer äußeren Begrenzungswand 32A ein Hohlraum 34 geschaffen.
Im Bereich des ersten Endabschnitts 22 mündet die Fluidleitung 12 in den Doppelmantel 32 ein. Aufgrund der Temperatur kann das Fluid in Dampfform vorliegen. Nach Einleitung in den Hohlraum 34 wird das Arbeitsfluid kondensieren. Das Kondensat läuft dann unter Gravitationseinfluss entlang des Doppelmantels 32 nach Unten, wobei ein kontinuierlicher Wärmeaustausch mit dem im Behälter 20 befindlichen Wasser erfolgt. Sobald das kondensierte Fluid den zweiten Endabschnitt 24 des Behälters 20 erreicht hat wird es durch einen Ablauf 36 am untersten Ende des Doppelmantels 32 in eine Rückfuhrleitung 38 geleitet, von wo es in ein unteres Ende des Solarkollektors 10 zurückgeführt wird, wobei auch hier ein Gefälle in Strömungsrichtung herrscht, um einen Gravitationsfluss zu ermöglichen.
Wie auch die Figur zeigt, besteht eine hohe Kontaktfläche zwischen Arbeitsfluid und Wasser und damit ein hoher Wirkungsgrad der Anlage.
Aus Sicherheitsgründen ist im Bereich des ersten Endabschnitts 22, im wesentlichen koaxial zur Achse A-A weiters ein elektrischer Heizstab 40 im Behälter 20 angeordnet, der über nicht dargestellte elektrische Anschlussleitungen sowie eine zugehörige Regelung/Steuerung aktiviert werden kann. Diese Regelung/Steuerung sorgt auch für die notwendige Umlaufströmung des Arbeitsfluids.
Übliche Sicherungsmaßnahmen, wie Überdruckventile etc. sind vorhanden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4239286 A1 [0003]
- DE 29811467 U1 [0003]

Claims

Solarkollektor (10) mit angeschlossenem Behälter (20) zur Speicherung von Warmwasser, wobei a) der Behälter (20) ein Gehäuse aufweist, das zumindest teilweise doppelwandig ausgebildet ist und einen Hohlraum (34) begrenzt, und b) eine Leitung (12) zum Transport eines im Solarkollektor (10) erwärmten Arbeitsfluids an einem Ablauf aus dem Solarkollektor (10) herausgeführt ist und an einem ersten Endabschnitt (22) des Behälters (20) in den Hohlraum (34) einmündet und an einem zweiten Endabschnitt (24) des Behälters (20) aus dem Hohlraum (34) herausgeführt und in einen Zulauf (38) des Solarkollektors (10) zurückgeführt ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, bei dem der erste Endabschnitt (22) des Behälters (20) benachbart dem Ablauf des Solarkollektors (10) angeordnet ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, bei dem der erste Endabschnitt (22) des Behälters (20) unterhalb des Ablaufs des Solarkollektors (10) angeordnet ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, bei dem der zweite Endabschnitt (24) des Behälters (20) benachbart dem Zulauf des Solarkollektors (10) angeordnet ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, bei dem der zweite Endabschnitt (24) des Behälters (20) oberhalb des Zulaufs des Solarkollektors (10) angeordnet ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, bei dem das Arbeitsfluid Ethanol ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, bei dem der Behälter (20) aus Stahlblech besteht, das innenseitig emailliert ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, bei dem benachbart zum ersten Endabschnitt (22) des Behälters (20) im Behälter (20) ein elektrischer Heizstab (40) angeordnet ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, bei dem der Behälter (20) so angeordnet ist, das seine Achse (A-A) parallel zur Oberfläche (10G) des Solarkollektors (10) verläuft.
Solarkollektor nach Anspruch 1, der gemeinsam mit dem Behälter (20) auf einem Stützgerüst (14, 30) angeordnet ist.