DE102012008877A1

DE102012008877A1 - Thermischer Solarkollektor mit TemperaturbegrenzungDurch Abdeckung des Kollektors mit einer Doppelglasscheibe, die ein elektrisch beriebenes Rollo enthält, wird Erhitzung des Kollektors über die Siedetemperatur des wärmeübertragenden Mediums vermieden.

Info

Publication number: DE102012008877A1
Application number: DE102012008877A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2013-08-22
Also published as: DE202012001589U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturbegrenzung in einem thermischen Solarkollektor, insbesondere in einem Flachkollektor, der über ein Übertragungsmedium Wärme in einen Speicher überträgt. Die Temperaturbegrenzung wird durch Abdeckung des Kollektors mit einer Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo erreicht, das durch einen Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann. Durch die damit erreichte Temperaturbegrenzung kann die Kollektorfläche beliebig vergrössert werden und der Ertrag einer damit ausgerüsteten Solaranlage wird erheblich gesteigert.

Description

Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturbegrenzung in einem thermischen Solarkollektor, insbesondere in einem Flachkollektor, der über ein Übertragungsmedium Wärme in einen Speicher überträgt. Die Temperaturbegrenzung wird durch Abdeckung des Kollektors mit einer Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo erreicht, das durch einen Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann. Durch die damit erreichte Temperaturbegrenzung kann die Kollektorfläche beliebig vergrössert werden und der Ertrag einer damit ausgerüsteten Solaranlage wird erheblich gesteigert.
Stand der Technik Allgemein bekannt sind thermische Solarkollektoren, die zur Sammlung der im Sonnenlicht enthaltenen Energie dienen. Sie bestehen aus einem etwa 10 cm hohen Kasten mit einer Fläche von ca. 2 m², und sind mit einer oder mehreren Glasscheiben abgedeckt. Durch etwa 5 mm dicke Röhren im Kollektor fliesst ein Übertragungsmedium, im Folgenden kurz Medium genannt, das dabei aufgeheizt wird; es überträgt seine Wärme über einen spiralförmigen Austauscher in einen Speicher. Der Speicher besteht aus einem isolierten Wasserkessel von einigen 100 l Inhalt. Eine Anlage zur Gewinnung thermischer Energie besteht somit aus dem Kollektor, dem Speicher und einer Steuereinheit. Einzelheiten dazu findet man im Internet auf den Websites der Hersteller der unter
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor
Das Medium ist üblicherweise ein Gemisch von Wasser und Glykol; letzteres dient dem Frostschutz. Da die Verdampfungstemperatur dieses Mediums ca. 120 Grad Celsius beträgt muss die, Anlage abgeschaltet werden, sobald diese Temperatur in einem der Kollektoren erreicht ist. Die Überhitzung und der daraus folgende Stillstand sind die Ursache für zahlreiche Probleme mit thermischen Solaranlagen; sie sind Gegenstand intensiver Untersuchungen wie z. B. am Fraunhofer Institut für Solarenergie in Freiburg:
http://www.ise.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder-und-marktbereiche/solarthermie/thermische-solaranlagen/projekte/experimentelle-Untersuchungen-zum-stillstandsverhalten-von-thermischen-solaranlagen
Um die Anlage stabil zu betreiben muss das Verdampfen des Mediums möglichst vermieden werden. Bei handelsüblichen Anlagen wird das dadurch erreicht, dass die Kollektorfläche im Verhältnis zum Speicher nicht zu gross ist. Das hat jedoch den Nachteil zur Folge, dass sich der Energieertrag im Jahresmittel erheblich verringert. Die Hersteller kommerzieller Anlagen geben einen möglichen Deckungsgrad von ca. 60% für die Warmwassererzeugung und ca. 25–30% für die Heizungsunterstützung an.
Vorschlag zur Vermeidung der Überhitzung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperatur in einem Solarkollektor zuverlässig zu begrenzen und dadurch alle Probleme, die sich aus der Überhitzung eines Kollektors ergeben, von vornherein zu vermeiden. Eine Anlage lässt sich damit so planen, dass bei geeigneter Steuerung ein deutlich höherer Ertrag erzielt wird.
Dazu wird vorgeschlagen, die Begrenzung der Kollektortemperatur durch Abdeckung des Kollektors mit einer Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo zu erreichen, das durch einen Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann. Die Doppelglasscheibe mit integriertem Rollo und elektrischem Antrieb ist hermetisch abgeschlossen und daher völlig unabhängig von Wettereinflüssen. Das Material, aus dem das Rollo besteht, wird so gewählt, dass die Kollektortemperatur bei Stillstand der Anlage und maximaler Sonneneinstrahlung bei geschlossenem Rollo unterhalb der Verdampfungstemperatur des Mediums bleibt. Die Hersteller dieser Rollos geben für verschiedene Materialien Reflexionsgrade zwischen 30% und 80% an; sie können je nach Ausrichtung und Neigung des Kollektors passend gewählt werden. Damit ist die Anzahl der Kollektoren nicht begrenzt. Jeder einzelne Kollektor hat einen Temperaturfühler; sein Rollo wird immer dann geschlossen bevor die Siedetemperatur erreicht ist.
Die Steuerung der gesamten Anlage kann folgendermassen erfolgen. Eine Anzahl Kollektoren ist kaskadenförmig angeordnet, das Medium durchströmt der Reihe nach alle Kollektoren wie in Zeichnung 2 gezeigt. In jedem Kollektor wird es um einen bestimmten Betrag erwärmt. Solange es beim Austritt aus dem letzten Kollektor noch nicht 120 Grad Celsius erreicht hat sind alle Kollektoren offen. Nach einiger Zeit mit Sonnenschein hat sich die Temperatur im Speicher erhöht und das Medium tritt mit höherer Temperatur in den ersten Kollektor ein. Dadurch hat es schon eine Temperatur von fast 120 Grad Celsius bevor es den letzten Kollektor erreicht. Der erste Kollektor, in dem 120 Grad erreicht sind und alle nachfolgenden werden geschlossen, so dass sich die Temperatur nicht weiter erhöht und unterhalb der Siedetemperatur bleibt. Geht die Temperatur des Mediums aufgrund von Verbrauch oder geringerer Sonneneinstrahlung zurück werden die Kollektoren sukkessive wieder geöffnet. Die Gesamtzahl der Kollektoren in einer solchen Anlage ist damit beliebig. Der Verbrauch an elektrischer Energie für das Schliessen und Öffnen der Rollos ist vernachlässigbar. Der Aufbau einer solchen Anlage ist schematisch in Zeichnung 1 gezeigt. Unter bestimmten Bedingungen bezüglich der Dachausrichtung und Neigung könnte es vorteilhaft sein, die Kollektoren parallel zu schalten und zusammen schrittweise zu öffnen oder zu schliessen.
Um die Anlage inhärent gegen Überhitzung zu sichern erfolgt die Stromversorgung über einen Akkumulator; bei Ausfall der Netzspannung oder Erreichen der Maximaltemperatur von ca. 90 Grad im Speicher ist dadurch die Schliessung aller Kollektoren garantiert.
An folgendem real durchgeführten Test-Beispiel soll der Vorteil einer solchen Anlage quantitativ erläutert werden. Eine Anlage bestehe aus einem Speicher von 300 l und Kollektoren von insgesamt 4 m². An einem Tag mit guter Sonneneinstrahlung wird dadurch eine Maximaltemperatur im Speicher von ca. 65 Grad Celsius erreicht; die maximale Temperatur in den Kollektoren im Laufe des Tages erreicht ca. 100 Grad Celsius. Bei einer Einströmtemperatur des Wassers von ca. 15 Grad Celsius hat man dadurch ca. 15 kWh thermischer Energie gewonnen.
Vergrössert man die Kollektorfläche auf 6 m² bei ansonsten gleicher Konfiguration der Anlage erreicht die Kollektortemperatur an einem sonnigen Tag schnell 120 Grad und die Anlage schaltet sich ab, oft für den Rest des Tages; im ungünstigsten Fall erzielt man fast keinen Energieertrag. Schaltet man die Anlage von Automatic-Betrieb auf Hand-Betrieb kann man durch geschicktes Ausnützen von wolkigen Abschnitten das Verhaken eines Kollektors mit einem Rollo simulieren. Sobald nach dem Durchzug einer Wolke die Kollekturtemperatur unter 120 Grad fällt schaltet man den Umlauf des Mediums sofort wieder ein; dadurch kann man eine Speichertemperatur von 85 Grad Celsius oder mehr erreichen, d. h. eine Temperaturdifferenz von etwa 70 Grad Celsius entsprechend einem Gewinn von ca. 20 kWh. Der Energieertrag ist also ca. 30% höher als bei einer Kollektorfläche von nur 4 m².
In der sonnenarmen Jahreszeit erzielt man mit 4 m² Kollektorfläche nur ca. 50 Grad Speichertemperatur, während sich mit 6 m² ca. 70 Grad erreichen lassen. Dadurch, dass die Anzahl der Kollektoren mit Temperaturbegrenzung nicht durch das Überhitzungsproblem begrenzt ist, Hessen sich auch in grösseren Speichern hohe Temperaturen erreichen, die den Ertrag bei Heizungsunterstützung deutlich verbessern würden.
Der Betrieb eines Kollektors mit Temperaturbegrenzung ist völlig unabhängig von den anderen Komponenten einer Solaranlage, insbesondere von der zentralen Steuereinheit. Das heisst, in bereits vorhandenen Anlagen liesse sich nur durch Austausch der Kollektoren und Vergrösserung ihrer Anzahl der Ertrag erheblich steigern.
Einwandbehandlung Es gibt verschiedene Vorschläge, mit denen eine Überhitzung eines thermischen Kollektors vermieden werden soll. Bis heute wurde für keines der nachfolgenden Patente eine Lizenz erteilt.
DE 10 2009 030 638 A1 . Der dort vorgeschlagene Überhitzungsschutz soll durch ein aktives Kühlsystem erreicht werden. Der dafür erforderliche Aufwand steigt mit der Kollektorfläche; die Kühlung erfordert erhebliche elektrische Energie, was überhaupt nicht erwähnt wird; bei einer Unterbrechung der Netzspannung fällt die Kühlung aus, damit werden praktisch alle dort aufgezählten Vorteile wirkungslos, die Anlage wird beschädigt oder zerstört; eine Nachrüstung bestehender Anlagen ist kaum möglich; die angegebenen Werte für die Ertragssteigerung werden in keiner Weise begründet.
DE 10 2007 033 565 A1 . Der dort vorgechlagene Mechanismus zum Überhitzungsschutz ist vorzugsweise für CPC (Compound Parabolic Concentrator) Röhrenkollektoren geeignet und nicht für die hier betrachteten Flachkollektoren.
DE 10 2007 044 136 A1 . Das vorgeschlagene Verfahren zum Überhitzungsschutz erfordert ein kompliziertes System von Pumpen und Ventilen, das nicht beschrieben wird; auf Änderung der Sonneneinstrahlung reagiert das System nicht flexibel genug; bei Ausfall der Netzspannung funktioniert das vorgeschlagene Verfahren nicht, die Anlage wird durch Überhitzung beschädigt.
DE 0000 030 15061 A1 . Der dort vorgeschlagene Überhitzungsschutz soll dadurch erreicht werden, dass bei Erreichen einer kritischen Temperatur im Kollektor ein Teil des wärmeabführenden Mediums durch Umleiten in einen luftgekühlten Wärmeaustauscher geleitet wird. Der Aufwand für diese Kühlung steigt mit der Kollektorfläche; ein Nachrüsten bestehender Anlagen ist nur schwer möglich; bei Ausfall der Netzspannung versagt diese Kühlung grösstenteils.
DE 0000 030 15061 A1 . Der Austausch des Wärmeübertragungsfluids zwischen Kollektor und externer Vorrichtung erfordert ein kompliziertes System von Pumpen und Ventilen, das nicht beschrieben wird; das Problem der Entlüftung, die nach jedem Austausch erforderlich ist, wird nicht erwähnt; bei Ausfall der Netzspannung funktioniert das System nicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009030638 A1 [0014]
DE 102007033565 A1 [0015]
DE 102007044136 A1 [0016]
DE 000003015061 A1 [0017, 0018]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor [0002]
http://www.ise.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder-und-marktbereiche/solarthermie/thermische-solaranlagen/projekte/experimentelle-Untersuchungen-zum-stillstandsverhalten-von-thermischen-solaranlagen [0003]

Claims

Vorrichtung zur Temperaturbegrenzung in einem Solarkollektor, insbesondere einem Flachbett-Kollektor.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlte Sonnenenergie durch ein Rollo in einer hermetisch abgeschlossenen Doppelglas-Scheibe begrenzt wird, das durch einen integrierten Elektromotor geschlossen und geöffnet werden kann.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schliessen durch einen Temperaturfühler in dem Kollektor gesteuert wird.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur in einem Kollektor auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollo aus einem solchen Material hergestellt ist, dass in geschlossenem Zustand bei maximaler Sonneneinstrahlung die Siedetemperatur des wärmeübertragenden Mediums nicht überschritten wird.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Solaranlage, die mit diesen Kollektoren ausgestattet ist, die bei der aktuellen Sonneneinstrahlung maximal erreichbare Temperatur des wärmeübertragenden Mediums unterhalb der Siedetemperatur erzielt.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch autonome Steuerung jedes einzelnen Kollektors der Einbau in vorhandene Solaranlagen möglich ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung des elektrischen Antriebs der Rollos über einen Puffer-Akku erfolgt; dadurch wird die Schliessung der Kollektoren auch bei Netzstrom-Ausfall gesichert und damit die Überhitzung garantiert vermieden.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlte Sonnenenergie durch Abdeckung des Kollektors mit einem ”Schaltbaren Glass” begrenzt werden kann.