Solar thermal system

この発明は、熱搬送媒体を包含する太陽回路を介して熱溜まりと接続されている集熱器を備える太陽熱システムに関する。

太陽熱システムとは、太陽照射からの熱を利用できる（太陽熱）太陽装備である。 熱は特に建物技術或いは太陽熱発電所において発電に利用できる。 それに対して、太陽光から電流への直接変換が光電圧と呼ばれ、適切な装備を光電圧装備と呼ばれる。

熱取得では、集熱器の吸収器が太陽エネルギーによって加熱される。 集熱器を通して熱を受け取る熱搬送媒体が流れる。 ポンプが熱搬送媒体を太陽回路に搬送し、太陽回路を介して熱が集熱器から熱溜まりに、特に太陽熱貯蔵器にもたらされ、太陽熱貯蔵器が熱を受け取って、熱を貯蔵する。

集熱器が太陽の熱を受け取る太陽装備の一部であり、吸収された熱が出来るだけ損失なしに太陽回路における熱搬送媒体に伝達される。

集熱器における最も重要な構造技術的差異は平面集熱器と管集熱器の間の差異である。 吸収器の絶縁によって平面集熱器と管集熱器が技術的に相違している。 絶縁作用が真空管集熱器では真空によってガス管に達成されて、真空が熱輸送を対流によって中断する。

平面集熱器は従来の絶縁材料、例えば鉱物羊毛或いはウレタン発泡体を利用する。 この絶縁は真空より僅かな効率であり、それ故に大きな集熱器面が比較可能な出力値を達成させるのに必要である。 今日の高出力平面集熱器が銅吸収器と共に作動する。 けれども、平面集熱器が真空管集熱器より明確に割安に且つ通常には経済的であるので、家庭的技術には、主としてこの構造タイプが配備される。

従来の使用水タンクと太陽熱貯蔵器は特に非常に強力な絶縁、異なった温度層の開発（上加熱水、下冷却水）を許容する水容器の丈の高く細長い構造形状並びに太陽回路から熱を伝達する低く取付けられた大きな面熱伝達器によって相違している。

集熱器における温度が確認された温度差だけ太陽熱伝達器に於ける温度以上に位置すると直ぐに、制御装備によってポンプが始動され、熱を太陽熱貯蔵器に輸送され、集熱器と貯蔵器の間の温度差が限界値を下回ると直ぐに、装備が停止される。

商慣習的集熱器は集熱器面に発生する太陽エネルギーの６０〜７０％を利用可能な熱に変換できる。 これらの集熱器には、ほとんど水性プロプレングリコール混合物（比６０対４０）が熱搬送媒体として使用される。 ４０％のプロプレングリコールの添加物によって−２３℃までの不凍が、そのもとで氷結が冷凍爆発なし並びに圧力により１５０℃以上に成り得る沸騰温度なしに達成される。

加熱周期の以外に太陽熱システムが様々に温水加熱のみに利用される。 これから装備の僅かな全効率が生じる。 装備の停止では、過熱やそれによる太陽熱システムの障害の虞れが生じる。

この先行技術から出発して、この発明の課題は、過熱の虞れが減少され、太陽装備の効率が特に加熱周期以外にも改良される太陽熱システムを創作することである。

この課題の解決は、集熱器の利用されなかった熱が熱発生器、特に集熱器の空転におけるエネルギー発生に利用され得るように、太陽熱システムを電気熱発生器と接続させる思想に基づいている。

詳細には、この課題は、前記種類の太陽熱システムでは、太陽回路が弁制御によって一時的に少なくとも一つの熱交換器と接続されていて、熱交換器が流れる熱流を受け取る熱発生器の加熱側に配置されていて、太陽熱システムの集熱器と熱交換器の間には熱遮断が熱エネルギーの交換を減少することによって、解決される。

太陽回路からあふれた熱を放出するために、この放出が弁制御によって一時的に特に太陽熱システムの空転で熱交換器と接続でき、この熱交換器が熱要素の熱側に配置されている。 集熱器と熱交換器の間の熱遮断は出力位相で、即ち熱溜まりの最高熱流が特に熱貯蔵器に供給されるときに、集熱器から熱を奪い取って、熱発生器に引渡されることを広範に阻止する。

熱遮断とは、この発明の意味において、太陽熱システムから熱発生器に付属された熱発生器に熱エネルギーの引渡しを遮断する措置と理解される。

この発明の意味における集熱器という概念は、前後に並んで及び／又は互いに平行に接続でき、一つ或いは複数の太陽集熱器（例えば平面集熱器と管集熱器）から成る配列を包含する。

この種の集熱器は太陽回路を介して熱溜まりと接続されている。 熱溜まりと特に熱貯蔵器が考慮でき、集熱器から受け取られた熱を現実の太陽照射と無関係に利用できる。 けれども、集熱器から受け取られた熱を太陽回路を介して直接に熱溜まりと作用する消費器に供給することが考慮できる。

熱発生器を備える板状熱交換器が平らに集熱器の受動的平らな背面に配置されるならば、集熱器と熱交換器の間には、熱遮断として遮断材、特に発泡された合成樹脂或いは鉱物羊毛から成る熱遮断する中間層が存在する。

場所関係がこれを可能とすると直ぐに、熱発生器を備える板状熱交換器が集熱器から分離した構造ユニットとして形成され得る。 この場合には、集熱器と板状熱交換器の間の間隔は、集熱器の出力位相中にほとんど熱が対流で熱交換器に引渡されず、その結果、太陽熱システムの全効率が下降する。 さらに、分離した構造ユニットとしての実施は、熱発生器の熱側には下降する太陽照射のエネルギーを受ける吸収器が配置されて、追加的エネルギーが、完全に電流を発生させるように利用されるか、或いは部分的に熱貯蔵器を加熱する太陽回路に利用される太陽装備にもたらされる利点を提供する。

最後に述べたハイブリット稼働のために、弁制御が熱搬送媒体の容積流の調整を太陽回路並びに熱交換器で可能とする恒常弁を有することが必要である。

太陽熱システムの明白な構成では、集熱器が選択的に熱貯蔵器或いは熱発生器の熱交換器と少なくとも一つの多路弁によって接続できる。

少なくともそれぞれ一つの３／２路弁が前路と後路に接続されるならば、熱発生器の熱交換器が太陽回路から完全に離脱され得る。

集熱器から熱発生器への流通路の解放は特に空転で、即ち完全に加熱された熱貯蔵器で行われ、過熱とそれによる太陽熱システムの障害を阻止する。 空転では、集熱器から熱発生器への全熱流が案内され、接続された熱発生器で部分的に電気エネルギーに変換される。 それに対して、熱貯蔵器の加熱中に熱エネルギーが熱発生器まで案内されない。

弁制御の複数の或いは単数の弁が手で作動され得る。 けれども、特に電気作動多路弁或いは恒常弁は、太陽装備のどっちみち存在する制御により作動され、測定検出器に基づいて太陽熱システムの空転を認識し、その結果、各弁用の切換指令を惹起させる。 複雑なハイブリット稼働にとって、制御が少なくとも一つの恒常弁を介して熱搬送媒体を需要に即応して一方で熱貯蔵器に、他方で熱発生器に熱貯蔵器からの熱流出並びに集熱器への強度と期間を考慮して分岐する。

熱発生器として稼働する熱要素は海底効果後に電圧を供給する。 ほとんど大きな数の熱対が熱要素に集合接続される。 熱発生器は、電気的に前後に並んで及び／又は平行に接続される一つの或いは複数の熱要素を包含する。 熱要素に利用された熱電圧が温度に依存して数マイクロボルトの領域に移動する。 若干の合金がその特性によって一定温度で熱対として混入されて、それ故に熱材料組合せのパレット（熱対）が−２７０℃から２６００℃までの温度領域にわたり形成された。 このパレットが規格で把握されて定義された。 熱要素用のこの種の有効な国際規格はＩＥＣ５８４−１，一対の片割れがドイツ語による領域でドイツ工業規格ＥＮ６０５８４部分１である。 この規格は１０の異なった熱材料組合せを特性に定義する。

他のドイツにおいてなお使用された規格は、ドイツ工業規格４３７１０であり、これは熱文字ＵとＬを定義する。 しかし、この規格はもはや有効ではない、

規格された熱対の他に、特殊な特性を備える他の組合せが存在する。 ここで、例は２６００℃までの温度領域を備えるタングステン／タングステンーレニウム組合せである。

熱要素の熱対用の伝導性材料として、特にｐ−とｎ−結合された半導体材料、大抵はビスマスー亜テルル酸塩Ｂｉ _２ Ｔｅ _３が考慮される。 その他に、次の表１．１と表１．２に挙げられたｐ−とｎ−結合された化合物が考慮される。

熱発生器として稼働された熱要素は通常には二つの薄い熱伝導材、特にセラミック白金から成り、それらの間に異なった伝導材料、特に半導体材料から成る交互の小さい直方体が半田付けされている。 それぞれの二つの異なった直方体は、直列接続を与えるように、互いに結合されている。 両板の一方は流れる熱流を受ける（以下に、熱要素の熱い側と呼ばれる）のに対して、他方の板が流れる熱流を引渡す（以下に、熱要素の冷い側と呼ばれる）。

従来の板間に配置された熱要素の他に、特に薄層熱要素が使用され、この熱要素は例えばドイツ特許出願公開第１０１２２６７９号明細書（特許文献１）から知られている。

熱発生器の熱引渡しのために冷い側に利用する面を拡大するために、熱発生器が特にリブ構造を備える冷却体を有する。 リブ構造のリブは冷い側から特に垂直方向に延びている。 リブによって改良された熱流出によって熱発生器の効率が改良される。

さらに、各熱発生器の流れる熱流を受ける熱い側が直接に熱交換器に完全に平らに当接するならば、効率がさらに、改良される。 改良は実質的に熱発生器の熱い側への熱伝達のための全体としての大きな面から生じる。

次に、この発明は実施例に基づいて詳細に説明される。

構造側に一体化された熱発生器を備えるこの発明による太陽熱システムの第一実施例を示す。

構造側に分離した熱発生器を備えるこの発明による太陽熱システムの第二実施例を示す。

図１は集熱器（２）を備える全体として（１）で示された太陽熱システムを示し、集熱器が二つの前後に並んで接続された面ベット（３ａ，３ｂ）から成り立つ。 集熱器（２）は太陽回路（４）を介して熱貯蔵器（５）と接続される。 太陽回路（４）は往路（７）、復路（６）並びに熱貯蔵器（５）に配置された管熱交換器（８）から成る。 さらに、復路（６）の終端には、ポンプ（９）が存在し、このポンプは熱搬送媒体を太陽回路（４）並びに集熱器（２）に循環する。 熱貯蔵器（５）は図示された実施例では中空円筒状太陽タンクとして形成される。 貯蔵媒体として水が用いられ、この水は取水管（１０）を介して熱貯蔵器に供給される。 熱貯蔵器の部分的に断面に図示された外套（１１）は費用のかかる熱遮断部（１２）を有し、熱損失を減少させる。 熱貯蔵器の丈の高く細長い構造形状は異なった温度層の形成を可能とする。 容器の上部分には、熱い水が存在し、下には冷たい水が存在する。 下容器部分に取付けられた管熱交換器（８）が太陽回路（４）から熱貯蔵器内の水へ熱を伝達するのに用いられる。 熱貯蔵器（５）の上容器部分における取出し箇所（１３）が管導管（１４）を介して温水消費器（１５）と接続される。 さらに、熱貯蔵器（５）には、他の熱交換器（１６）が配置されていて、加熱回路に接続される。 集熱器（２）に往路（７）と復路（６）を接続して、それぞれの一つの多路弁（１７、１８）が存在し、両多路弁（１７、１８）の第一切換状態ではその接続部が集熱器（２）から熱貯蔵器（５）への流通路に開放し、両多路弁（１７、１８）の第二切換状態ではその接続部が集熱器（２）から熱発生器（２０）の熱交換器（１９）への流通路に開放するので、熱搬送媒体が前後に並んで集熱器（２）並びに熱交換器（１９）に貫流する。 多路弁（１７、１８）のこの状態では、集熱器（２）の管システムが熱交換器（１９）と直接に接続される。 基本的には、この切換状態では集熱器（２）並びに熱交換器（１９）が熱貯蔵器に対する太陽回路（４）に接続される。 けれども、集熱器（２）と熱交換器（１９）の間には追加的搬送手段（例えばポンプ）が配置されるならば、集熱器（２）と熱交換器（１９）が太陽回路（４）から離脱され得る。

板状熱交換器（１９）は熱発生器（２０）の流れる熱流を受ける熱い側に配置されている。 熱交換器（１９）は平らに、層構成の形成のもとで、集熱器（２）の受動背面（２１）に配置されていて、集熱器（２）と熱交換器（１９）の間の熱分離するために熱遮断中間層（２２）が存在する。 熱交換器（１９）に対向位置する熱発生器（２０）の冷い側には、リブ冷却部材（２３）が配置されていて、薄層熱要素を有する熱発生器（２０）の熱い側と冷い側の間の温度差とそれに伴うその効率を高める。

熱発生器（２０）は二つの図示されていない接触箇所を介して電気導体（２４、２５）と接続されていて、電気導体を介して電気エネルギーが熱電気発生器（２０）から放出される。

太陽熱システム（１）が次のように作動する：
熱貯蔵器（５）が完全に加熱されると直ぐに、太陽熱システム（１）が空転稼働になる。 この場合には、太陽回路（４）が両多路弁（１７、１８）によって中断でき、集熱器（２）により収集された熱が熱発生器（２０）の熱交換器（１９）に供給される。 この場合には、管熱交換器（８）とその結果、熱貯蔵器（５）が集熱器（２）から離脱され、完全熱流が熱交換器（１９）に供給される。 この場合には、既に述べた搬送媒体が設けられていなければならない。

選択的に、集熱器（２）内の余分の熱では、両多路弁（１７、１８）によって集熱器（２）の管システムが熱交換器（１９）と直列に接続される。 集熱器（２）と熱交換器（１９）から成る直列接続は太陽回路（４）で熱貯蔵器に接続されるので、電流を発生させる余分の熱エネルギーが熱発生器（２０）で利用される。

集熱器（２）に発生する熱エネルギーが再び完全に熱貯蔵器（５）を加熱するために必要であるならば、太陽回路（４）が両多路弁（１７、１８）を介して熱貯蔵器（５）内の管熱交換器（８）と接続され、熱発生器（２０）の熱交換器（１９）が集熱器（２）から完全に離脱される。 この稼働モードでは、全熱エネルギーが熱貯蔵器（５）を加熱するために利用される。 両要素が場所節約して構造ユニットに要約されるにもかかわらず、熱遮断中間層（２２）が集熱器（２）と熱発生器（２０）の間の熱対流を広範に阻止する。

図２による太陽熱システムは、実質的に板状熱交換器（１９）と熱発生器（２０）が集熱器（２）から分離した構造ユニット（２６）として形成されることを相違している。 この構造ユニット（２６）は集熱器（２）から間隔をおいて、例えば家庭の垂直正面に配置されているのに対流して、集熱器（２）がその屋根に据え付けられている。 熱発生器（２０）の前面がこの発明のこの実施態様では追加的に吸収器薄板（２７）を備えているので、追加的エネルギーが熱発生器（２０）の熱い側に、或いは余分の熱電気の発生するのに必要ないエネルギーが太陽回路（４）に供給される。 熱交換器（１９）が三路／二路弁（２８）によって集熱器（２）と直列に接続されるので、熱交換器（１９）が太陽回路（４）の構成部材になる。 集熱器（２）に発生する熱エネルギーが完全に熱貯蔵器を加熱するために必要とされるならば、他の三路／二路弁（２９）が熱交換器（１９）の完全遮断に用いられる。 けれども、基本的には、この弁を放棄され得る。

最終的に、弁制御部が恒常弁を有し得て、この恒常弁が熱搬送媒体の容量流の調整を可能とする。 熱貯蔵器（５）並びに熱発生器（２０）のハイブリット稼働では、熱発生器（２０）の吸収器（１９）並びに集熱器（２）に発生する太陽エネルギーが需要に即応して一方で熱発生器（２０）に且つ他方で熱貯蔵器（５）に分配されている。

１． ． ． ． ． 太陽熱システム ２． ． ． ． ． 集熱器 ３ａ，ｂ． ． 平ベット集熱器 ４． ． ． ． ． 太陽回路 ５． ． ． ． ． 熱貯蔵器 ６． ． ． ． ． 往路 ７． ． ． ． ． 復路 ８． ． ． ． ． 管交換器 ９． ． ． ． ． ポンプ １０． ． ． ． 取水管 １１． ． ． ． 外套 １２． ． ． ． 熱遮断部 １３． ． ． ． 取出し部 １４． ． ． ． 管導管 １５． ． ． ． 温水消費器 １６． ． ． ． 熱交換器 １７． ． ． ． 多路弁 １８． ． ． ． 多路弁 １９． ． ． ． 熱交換器 ２０． ． ． ． 熱発生器 ２１． ． ． ． 受動的背面 ２２． ． ． ． 中間層 ２３． ． ． ． リブ冷却部材 ２４． ． ． ． 電気導体 ２５． ． ． ． 電気導体 ２６． ． ． ． 構造ユニット ２７． ． ． ． 吸収器薄板