THERMISCHE SOLARANLAGE |
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| 申请号 | EP09716227.5 | 申请日 | 2009-02-04 | 公开(公告)号 | EP2252839B1 | 公开(公告)日 | 2016-03-16 |
| 申请人 | O-Flexx Technologies GmbH; | 发明人 | BISGES, Michael; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | Die Erfindung betrifft eine thermische Solaranlage mit einem Kollektor, der über einen ein Wärmeträgermedium enthaltenden Solarkreislauf mit einer Wärmesenke verbunden ist. Als thermische Solaranlage werden Solaranlagen bezeichnet, die Wärme aus der Sonneneinstrahlung nutzbar machen (Solarthermie). Die Wärme wird insbesondere in der Gebäudetechnik oder in thermischen Solarkraftwerken zur Stromerzeugung nutzbar gemacht. Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom wird dagegen als Photovoltaik, die entsprechenden Anlagen als Photovoltaikanlagen bezeichnet. Bei der Wärmegewinnung wird der Absorber eines thermischen Kollektors durch die Sonnenenergie erhitzt. Durch den Kollektor strömt ein Wärmeträgermedium, das die Wärme aufnimmt. Eine Pumpe fördert das Wärmeträgermedium in einem Solarkreislauf, über den die Wärme vom Kollektor in eine Wärmesenke, insbesondere den Solarwärmespeicher verbracht wird; der Solarwärmespeicher, nimmt Wärme auf und speichert sie. Der Kollektor ist der Teil der Solaranlage, der die Wärme der Sonne aufnimmt und die absorbierte Wärme möglichst verlustfrei auf das Wärmeträgermedium im Solarkreislauf überträgt. Die wichtigste bautechnische Unterscheidung bei Kollektoren ist die zwischen Flachkollektoren und Röhrenkollektoren. Technisch unterscheiden sich die Flach- und Röhrenkollektoren durch die Isolierung des Absorbers. Die Isolationswirkung wird bei Vakuumröhrenkollektoren durch ein Vakuum in einer Glasröhre erreicht, welches einen Wärmetransport durch Konvektion vollständig unterbindet. Flachkollektoren nutzen herkömmliche Isoliermaterialien, zum Beispiel Mineralwolle oder Polyurethan-Schaum. Diese Isolierung ist weniger effizient als ein Vakuum, daher werden größere Kollektorflächen benötigt um vergleichbare Leistungswerte zu erreichen. Heutige Hochleistungs-Flachkollektoren arbeiten mit einem Kupferabsorber. Da Flachkollektoren jedoch deutlich preisgünstiger und damit in der Regel wirtschaftlicher sind als Vakuumröhrenkollektoren, wird in der Haustechnik überwiegend dieser Bautyp eingesetzt. Von herkömmlichen Brauchwassertanks unterscheiden sich SolarWärmespeicher vor allem durch eine sehr starke Isolierung, eine hohe und schlanke Bauform des Wasserbehälters, die die Entwicklung unterschiedlicher Temperaturschichten erlaubt (oben heißes Wasser, unten kühles Wasser), sowie einen tief angebrachten, großflächigen Wärmeüberträger für die Übertragung der Wärme aus dem Solarkreislauf. Sobald die Temperatur im Kollektor um eine festgelegte Temperaturdifferenz über der Temperatur am Solarwärmeüberträger liegt, wird von einer Steueranlage die Pumpe gestartet und die Wärme in den Solarwärmespeicher transportiert; sobald die Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher den Grenzwert unterschreitet, wird die Anlage gestoppt. Handelsübliche Kollektoren können 60 bis 70 Prozent der auf die Köllektorfläche auftreffenden Sonnenenergie in nutzbare Wärme umwandeln. In diesen Kollektoren wird meist ein WasserPropylenglykol-Gemisch (Verhältnis 60:40) als Wärmeträgermedium verwendet. Durch den Zusatz von 40 Prozent Propylenglykol wird ein Frostschutz bis -23 °C, darunter ein Gefrieren ohne Frostsprengung sowie eine Siedetemperatur, die je nach Druck 150 °C und mehr betragen kann, erreicht. Bei höheren Temperaturen gehen viele Kollektoren in Stillstand und liefern keine Energie mehr. Außerhalb der Heizperiode werden thermische Solaranlagen vielfach nur zur Warmwassererwärmung genutzt. Hieraus resultiert eine geringere Gesamteffizienz der Anlage. Im Stillstand der Anlage besteht die Gefahr der Überhitzung und damit der Beschädigung der thermischen Solaranlage. Aus der Aus der Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, eine thermische Solaranlage zu schaffen, bei der die Gefahr der Überhitzung reduziert und die Effizienz der Solaranlage, insbesondere auch außerhalb der Heizperiode, verbessert wird. Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem Gedanken eine thermische Solaranlage derart mit einem elektrischen Thermogenerator zu verbinden, dass die ungenutzte Wärme des Kollektors zur Energieerzeugung in einem Thermogenerator, insbesondere im Leerlauf des Kollektors, genutzt werden kann. Im Einzelnen wird die Aufgabe bei einer thermischen Solaranlage der eingangs erwähnten Art durch die Kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zur Auskopplung der überschießenden Wärme aus dem Solarkreislauf ist dieser mittels der Ventilsteuerung zeitweilig, insbesondere in der Leerlaufphase der thermischen Solaranlage, mit dem Wärmetauscher verbindbar, der an der heißen Seite des Thermoelementes angeordnet ist. Die Wärmedämmung zwischen dem Kollektor und dem Wärmetauscher verhindert weitgehend, dass dem Kollektor in der Leistungsphase, das heißt wenn der maximale Wärmestrom der Wärmesenke, insbesondere dem Wärmespeicher zugeführt werden soll, Wärme entzogen und an den Thermogenerator abgegeben wird. Unter Wärmedämmung sind im Sinne der Erfindung Maßnahmen zur Eindämmung der Abgabe thermischer Energie von dem Kollektor der thermischen Solaranlage an den dem Thermogenerator zugeordneten Wärmetauscher zu verstehen. Der Begriff Kollektor im Sinne der Erfindung umfasst eine Anordnung aus einem oder mehreren Sonnenkollektoren (z.B. Flachkollektoren und Röhrenkollektoren), die hintereinander und/oder parallel zueinander geschaltet sein können. Ein derartiger Kollektor ist über den Solarkreislauf mit der Wärmesenke verbunden. Als Wärmesenke kommen insbesondere Wärmespeicher in Betracht, um die von den Kollektoren aufgenommene Wärme unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung nutzen zu können. Denkbar ist es jedoch auch, die von den Kollektoren aufgenommene Wärme über den Solarkreislauf unmittelbar einem als Wärmesenke wirkenden Verbraucher zuzuführen. Wird der plattenförmige Wärmetauscher mit dem Thermogenerator flächig an der passiven ebenen Rückseite des Kollektors angeordnet, befindet sich zwischen dem Kollektor und dem Wärmetauscher als Wärmedämmung eine wärmedämmende Zwischenschicht aus Dämmstoff, insbesondere geschäumten Kunststoffen oder Mineralwolle. Sofern die Platzverhältnisse dies erlauben, kann der plattenförmige Wärmetauscher mit dem Thermogenerator als von dem Kollektor separate Baueinheit ausgeführt sein. In diesem Fall stellt der Abstand zwischen dem Kollektor und dem plattenförmigen Wärmetauscher sicher, dass während der Leistungsphase des Kollektors nahezu keine Wärme im Wege der Konvektion auf den Wärmetauscher übergeht und in Folge dessen der gesamte Wirkungsgrad der thermischen Solaranlage sinkt. Die Ausführung als separate Baueinheit bietet darüber hinaus den Vorteil, dass an der heißen Seite des Thermogenerators ein Absorber zur Aufnahme der Energie der einfallenden Sonneneinstrahlung angeordnet werden kann, der zusätzliche Energie in die Solaranlage einbringt, die entweder vollständig zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt wird oder teilweise in den Solarkreislauf zur Aufheizung des Wärmespeichers genutzt wird. Für den zuletzt genannten Hybridbetrieb ist es erforderlich, dass die Ventilsteuerung Stetigventile aufweist, die eine Einstellung des Volumenstroms des Wärmeträgermediums in dem Solarkreislauf sowie dem Wärmetauscher erlauben. In einer einfacheren Ausgestaltung der thermischen Solaranlage, ist der Kollektor wahlweise mit dem Wärmespeicher oder dem Wärmetauscher des Thermogenerator mit Hilfe mindestens eines Mehr-Wegeventils verbindbar. Ist mindestens je ein drei/zwei - Wegeventil in den vorlauf und den Rücklauf geschaltet, kann der Wärmetauscher des Thermogenerators von dem Solarkreis vollständig entkoppelt werden. Die Freigabe des Durchflussweges von dem Kollektor zum Thermogenerator erfolgt insbesondere im Leerlauf, das heißt bei vollständig aufgeheiztem Wärmespeicher, um eine Überhitzung und damit Beschädigung der thermischen Solaranlage zu verhindern. Im Leerlauf wird der gesamte Wärmestrom von dem Kollektor zu dem Wärmetauscher geleitet und in dem angekoppelten Thermogenerator teilweise in elektrische Energie gewandelt. Während der Aufheizung des Wärmespeichers wird indes keine Wärmeenergie zum Thermogenerator geführt. Die Ventile bzw. das Ventil der Ventilsteuerung können von Hand betätigt werden. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um elektrische betätigte Mehrwege-Ventile oder Stetig-Ventile, die von der ohnehin vorhandenen Steuerung der Solaranlage betätig werden, die aufgrund ihrer Messfühler einen Leerlauf der thermischen Solaranlage erkennt und in Folge dessen den Schaltbefehl für jedes Ventil auslöst. Für den komplexeren Hybrid-Betrieb verzweigt die Steuerung über mindestens ein Stetig-Ventil das Wärmeträgermedium bedarfsgerecht auf den Wärmespeicher einerseits und den Thermogenerator andererseits unter Berücksichtigung des Wärmeabflusses aus dem Wärmespeicher sowie der Intensität und Dauer der Sonneneinstrahlung auf den Kollektor. Ein als Thermogenerator betriebenes Thermoelement liefert nach dem Seebeck-Effekt elektrische Spannung. Meist wird eine größere Anzahl von Thermopaaren zu einem Thermoelement zusammengeschaltet. Der Thermogenerator kann eines oder mehrere Thermoelemente umfassen, die elektrisch hintereinander und/oder parallel geschaltet sind. Die in den Thermoelementen genutzte Thermospannung ist temperaturabhängig und bewegt sich in einem Bereich von wenigen Mikrovolt. Es halben sich einige Legierungen durch ihre Eigenschaften bei bestimmten Temperaturen als Thermopaare durchgesetzt und sich somit eine Palette von Thermomaterialkombinationen (Thermopaare) über einen Temperaturbereich von -270°C bis 2600°C gebildet. Diese Palette wurde in Normen erfasst und definiert. Die derzeit gültige internationale Norm für Thermoelemente ist die IEC 584-1, das Pendant im deutschsprachigen Raum die DIN EN 60584 Teil 1. Diese Norm definiert 10 verschiedene Thermomaterialkombination in ihren Eigenschaften. Eine weitere in Deutschland noch angewendete Norm ist die DIN 43710, welche die Thermotypen U und L definiert. Diese Norm ist aber nicht mehr gültig. Neben den genormten Thermopaaren gibt es noch andere Kombination mit speziellen Eigenschaften. Ein Beispiel sind hier die Wolfram/Wolfram-Rhenium Kombination mit möglichen Temperaturbereichen bis 2600 °C. Als leitfähige Materialien für Thermopaare von Thermoelementen kommen insbesondere auch p- und n- dotierte Halbleitermaterialen, meist Wismut-Tellurit, Bi2Te3 in Betracht. Außerdem kommen die in den nachfolgenden Tabellen 1.1. und 1.2 genannten p- und n-dctierten Verbindungen in Betracht: Ein als Thermogenerator betriebenes Thermoelement besteht üblicherweise aus zwei dünnen wärmeleitenden, insbesondere keramischen Platten zwischen denen abwechselnd kleine Quader aus unterschiedlich leitendem Material, insbesondere Halbleitermaterial, eingelötet sind. Jeweils zwei unterschiedliche Quader sind so miteinander verbunden, dass sie eine Reihenschaltung ergeben. Eine der beiden Platten nimmt den einfließenden Wärmestrom auf (nachfolgend auch als heiße Seite des Thermoelementes bezeichnet), während die andere Platte den ausfließenden Wärmestrom abgibt(nachfolgend auch als kalte Seite des Thermoelementes bezeichnet). Neben den herkömmlichen zwischen Platten angeordneten Thermoelementen können insbesondere auch Dünnschicht-Thermoelemente zum Einsatz gelangen, wie sie beispielsweise aus der Um die für die Wärmeabgabe des Thermogenerators zur Verfügung stehende Fläche auf dessen kalter Seite zu vergrößern, kann der Thermogenerator einen Kühlkörper, insbesondere mit einer Rippenstruktur aufweisen. Die Rippen der Rippenstruktur erstrecken sich von der kalten Seite vorzugweise in senkrechter Richtung. Durch die infolge der Rippen verbesserte Wärmeabfuhr wird der Wirkungsgrad des Thermogenerators verbessert. Wenn außerdem die den einfließenden Wärmestrom aufnehmende heiße Seite jedes Thermogenerators unmittelbar an dem Wärmetauscher vollflächig anliegt, wird der Wirkungsgrad weiter verbessert. Die Verbesserung resultiert im wesentlichen aus der insgesamt größeren Fläche für den Wärmeübergang in die heiße Seite des Thermogenerators. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Der Thermogenerator (20) ist über zwei nicht dargestellte Kontaktstellen mit elektrischen Leitungen (24, 25) verbunden, über die die elektrische Energie von dem thermoelektrischen Generator (20) abgeführt wird. Die thermische Solaranlage (1) arbeitet wie folgt: Sobald der Wärmespeicher (5) vollständig aufgeheizt ist geht die thermische Solaranlage (1) in den Leerlaufbetrieb. In diesem Fall kann der Solarkreislauf (4) mittels der beiden Mehr-Wegeventile (17, 18) unterbrochen und die von dem Kollektor (2) gesammelte Wärme dem Wärmetauscher (19) des Thermogenerators (20) zugeführt werden. In diesem Fall ist der Rohrwärmetauscher(8) und in Folge dessen der Wärmespeicher (5) von dem Kollektor (2) entkoppelt und der vollständige Wärmestrom wird dem Wärmetauscher (19) zugeführt. In diesen Fall muss das bereits erwähnte Fördermittel vorgesehen werden. Alternativ wird bei überschüssiger Wärme im Kollektor (2) mittels der Mehr-Wegeventile (17,18) das Rohrsystem des Kollektors (2) mit dem Wärmetauscher (19) in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung aus Kollektor (2) und Wärmetauscher (19) ist in den Solarkreislauf (4) zum Wärmespeicher eingebunden, so dass überschüssige Wärmeenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom im Thermogenerator zur Verfügung steht. Wird die in dem Kollektor (2) anfallende Wärmeenergie wieder vollständig zur Aufheizung des Wärmespeichers (5) benötigt, wird der Solarkreislauf (4) über die Mehr-Wegeventile (17, 18) mit dem Rohrwärmetauscher (8) in dem Wärmespeicher (5) verbunden und der Wärmetauscher (19) des Thermogenerators (20) von den Kollektoren (2) vollständig entkoppelt. In diesem Betriebsmodus steht die gesamte Wärmeenergie zur Aufheizung des Wärmespeichers (5) zur Verfügung. Die wärmedämmende Zwischenlage (22) verhindert weitgehend eine Wärmekonvektion zwischen dem Kollektor (2) und dem Thermogenerator (20), obwohl beide Elemente platzsparend zu einer Baueinheit zusammengefasst sind. Die thermische Solaranlage nach Schließlich kann die Ventilsteuerung Stetigventile aufweisen, die eine Einstellung des Volumenstroms des Wärmeträgermediums ermöglichen. In einem Hybridbetrieb des Wärmespeichers (5) sowie des Thermogenerators (20) kann die auf den Absorber (19) des Thermogenerators (20) sowie die auf den Kollektor (2) auftreffende Sonnenenergie bedarfsgerecht auf den Thermogenerator (20) einerseits und den Wärmespeicher (5) andererseits verteilt werden. |
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