Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hybridkollektor-Solaranlage ge- mäss Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Hybridkollektor-Solaranlage zur Durchführung des Verfahrens gemäss Oberbegriff des Anspruchs 11.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Hybridkollektoren bekannt, welche das Sonnenlicht effizienter nutzen, als ein Photovoltaikmodul oder ein thermischen Solar kollektor (auch als Sonnenkollektor oder Flachkollektor bezeichnet) alleine. Bei Photovoltaikmodulen (PV-Modulen) gilt generell, dass deren Leistung mit steigender Temperatur abnimmt. Es wird daher versucht die Temperatur der PV-Module möglichst niedrig zu halten. Der synergistische Effekt bei Hybridkollektoren besteht nun darin, dass bei diesen Kollekt- oren Wärmetauscher vorgesehen sind, welche die PV-Module kühlen. Die über den Wärmeträger abgeführte Wärme kann beispielsweise für Warmwasserzwecke, Heizungsunterstützung oder Wärmepumpenunterstützung verwendet werden. Der Gesamtwirkungsgrad von Hybridkollektoren ist demnach höher als die Wirkungsgrade eines PV-Moduls oder eines Solarkollektors alleine. Der Hybridkollektor ist in einen Heizkreislauf integriert, indem ein Wärmeträgermedium ständig zirkuliert. In den Heizkreislauf sind weiterhin ein Pufferspeicher und eine Pumpe eingebunden. Der Heizkreislauf ist vollständig mit dem Wärmeträgermedium gefüllt. Das Wärmeträgermedium wird durch die Zirkulation ständig erwärmt. In dem geschlossenen Kreislauf können sich jedoch Drücke bis zu 6 bar aufbauen. Die Solaran- läge muss daher dementsprechend ausgelegt und dimensioniert werden, um diesen Drücken standhalten zu können. Dies führt zwangsläufig zu hohen Investitionskosten. Auch kommt es immer wieder zu Leckagen und einem damit verbundenen erhöhten Wartungsaufwand. Ferner können sich in dem thermischen Solarkollektor durch das fortwährende Durchströmen mit dem Wärmeträgermedium Totzonen bilden. D.h. an bestimmten Stellen innerhalb des thermischen Solarkollektors wird das Wärmeträgermedium nicht ausgetauscht. Dies reduziert den Wirkungsgrad der Solaranlagen und kann sogar zu Hotspots führen.

Aufgabe der Erfindung

Aus den Nachteilen des beschriebenen Stands der Technik resultiert die die vorliegende Erfindung initiierende Aufgabe ein gattungsgemässes Verfahren zum Betrieb einer Hyb- ridkollektor-Solaranlage dahingehend zu verbessern, dass die Investitions- und Wartungskosten der Solaranlage reduziert werden und deren Wirkungsgrad im Betrieb gleichzeitig verbessert wird.

Beschreibung

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zum Betrieb einer Hyb- ridkollektor-Solaranlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch, dass die Solaranlage teilweise mit Wärmeträgermedium befüllt wird, sodass ein Teil der Solaranlage unbef üllt ist und dass das Wärmeträgermedium in Abhängigkeit von seiner Temperatur zwischen dem thermischen Solarkollektor und dem Pufferspeicher über die Zuleitung hin und her bewegt wird, wodurch eine pendelnde Betriebsweise realisiert ist.

Dadurch, dass die Solaranlage lediglich teilweise mit Wärmeträgermedium befüllt ist, bleibt ausreichend Raum frei, damit sich das Wärmeträgermedium bei Erwärmung frei ausdehnen kann ohne einen Druck in der Solaranlage aufzubauen. Dies ist besonders bei Hybridkollektoren von Vorteil, da diese druckempfindliche Glasplatten aufweisen können.

Dadurch, dass die Solaranlage teilbefüllt ist, ist in der Solaranlage Raum vorhanden, um das Wärmeträgermedium zwischen dem Pufferspeicher und dem thermischen Solarkollektor hin und her bewegen zu können. Diese pendelnde Betriebsweise führt zu einem überraschend hohen Wirkungsgrad, da die auf das Wärmeträgermedium übertragene Sonnenwärme in Summe nahezu gleich gross ist, als bei einem Wärmeträgermedium, das kontinuierlich im Kreis geführt wird. Ausserdem ist der Energiebedarf der Pumpe im Vergleich zu einer zirkulierenden Betriebsweise reduziert, da die Pumpe lediglich in definierten Zeitintervallen das Wärmeträgermedium von dem Pufferspeicher in den thermischen Solarkollektor pumpt und die restliche Betriebszeit stillsteht.

Die Erfindung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass sich das Wärmeträgermedium in einem ersten Betriebszustand im Wesentlichen in dem Pufferspeicher befindet und in einem zweiten Betriebszustand sich im Wesentlichen in dem thermischen Solarkollektor befindet. Die zwei Betriebszustände ermöglichen es, dass das gesamte Wärmeträgermedium entweder in dem Solarkollektor aufgeheizt wird oder ihm in dem Pufferspeicher Wärme entzogen wird. Die pendelnde betriebsweise ist insbesondere in Kombination mit Hybridkollektoren sehr effizient, da eine der Aufgaben des thermischen Solarkollektors ist das PV-Modul zu kühlen. Da in dem zweiten Betriebszustand gut gekühltes Wärmeträgermedium mit dem PV-Modul in Kontakt kommt, ist das treibende Temperaturgefälle besonders hoch.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Wärmeträgermedium mit der Pumpe von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand über die Zuleitung gepumpt. Die Pumpe kann dadurch sehr energiesparend eingesetzt werden, da sie die übrige Zeit während dem Betrieb der Solaranlage stillstehen kann. Im Gegensatz dazu läuft die Pumpe bei zirkulierender Betriebsweise einer Solaranlage kontinuierlich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Wärmeträgermedium von dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand durch Entleerung des thermischen Solarkollektors über die Zuleitung übergeführt. Die Entleerung bedarf daher keiner zusätzlichen Energie. Die Selbstentleerung kann dadurch realisiert werden, dass die Zuleitung am tiefsten Punkt des thermischen Solarkollektors angeordnet ist und der höchste Punkt des Pufferspeichers tiefer als der tiefste Punkt des Solarkollektors angeordnet ist.

Als zweckdienlich hat es sich erwiesen, wenn das Wärmeträgermedium in Abhängigkeit von seiner Temperatur über die Zuleitung in den thermischen Solarkollektor gepumpt wird oder über die Zuleitung in den Pufferspeicher übergeführt wird. Die Zuleitung kann durch die vorliegende Betriebsweise zum Zuleiten und Ableiten des Wärmeträgermediums genutzt werden. Auf zusätzliche Leitungen kann daher verzichtet werden. Zweckmässigerweise steht die Pumpe unabhängig von dem ersten und dem zweiten Betriebszustand im Kontakt mit dem Wärmeträgermedium. Dadurch ist verhindert, dass die Pumpe trocken läuft. Diese wartungstechnische Anforderung ist einfach zu realisieren indem die Pumpe tiefer angeordnet ist als der höchste Punkt des sich in dem Pufferspeicher befindenden Wärmeträgermediums.

Als zweckdienlich erweist es sich, wenn das Wärmeträgermedium über eine Bypass- Leitung, welche die Pumpe umgeht, von dem thermischen Solarkollektor in den Pufferspeicher übergeführt wird. Dadurch kann durch einfaches Öffnen eines Ventils der Solarkollektor entleert werden. Die Pumpe wird für die Entleerung nicht benötigt.

Die Erfindung zeichnet sich auch bevorzugt dadurch aus, dass das Verfahren frei von einer Kreislaufbewegung des Wärmeträgermediums ist, indem das Wärmeträgermedium über die Zuleitung zwischen dem thermischen Solar kollektor und dem Pufferspeicher pendelnd hin und her geführt wird. Die Anlage kann daher drucklos betrieben werden. Die Bildung von Totzonen ist zuverlässig verhindert, da der Solarkollektor beim Wechsel auf den ersten Betriebszustand vollständig entleert wird.

Zweckmässigerweise wird die Hybridkollektor-Solaranlage drucklos betrieben, was wie bereits weiter oben bereits ausgeführt, besonders für Hybridkollektoren grosse Vorteile mit sich bringt.

Von Vorteil ist es, wenn in dem zweiten Betriebszustand ein Restvolumen an Wärmeträgermedium in dem Pufferspeicher verbleibt. Dadurch läuft die Pumpe nicht Gefahr trocken zu laufen. Das Restvolumen in dem Pufferspeicher kann auch durch den Überlauf gebildet sein, welcher entsteht, wenn sich das Wärmeträgermedium in dem Solarkollektor ausdehnt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft auch eine Hybridkollektor-Solaranlage zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Fassungsvolumen der Solaranlage für das Wärmeträgermedium wenigstens doppelt so gross ist wie das Volumen des eingefüllten Wärmeträgermediums. Diese Dimensionierung der Solaranlage führt dazu, dass sich die pendelnde Betriebsweise realisieren lässt. Das Wärmeträgermedium befindet sich nahezu vollständig entweder in dem thermischen Solarkollektor oder in dem Pufferspeicher. Die Aufheizphase und die Wärmeentnahmephase sind daher voneinander getrennt und erfolgen sequentiell. Zweckmässigerweise ist das Volumen der Solaranlage, welches frei von dem Wärmeträgermedium ist, mit Luft befüllt. Dadurch kann sich das Wärmeträgermedium in dem Solarkollektor ausdehnen, ohne dass sich in der Solaranlage ein Druck aufbauen würde.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Füllvolumen des Puf- ferspeichers mindestens das Volumen des aufgeheizten Wärmeträgermediums. Dadurch kann in dem ersten Betriebszustand das Wärmeträgermedium vollständig in dem Pufferspeicher aufgenommen werden, wo dem gesamten Wärmeträgermedium die Wärme entzogen wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Füllvolumen des thermischen Solar kollektors höchstens das Volumen des abgekühlten Wärmeträgermediums. Dadurch ist sichergestellt, dass der Solarkollektor in dem zweiten Betriebszustand vollständig mit dem Wärmeträgermedium gefüllt ist und das gesamte Wärmeträgermedium aufgeheizt wird.

Zweckmässigerweise ist der thermische Solarkollektor durch die Zuleitung und eine Überströmleitung mit dem Pufferspeicher verbunden. Die Überströmleitung dient dazu sich während des zweiten Betriebszustandes ausdehnendes Wärmeträgermedium, welches in dem Solarkollektor keinen Platz findet, in den Pufferspeicher zurückzuführen. Die Rückführung des Wärmeträgermediums nach Abschluss des zweiten Betriebszustandes erfolgt selbsttätig über die Zuleitung. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der thermische Solarkollektor selbstentleerend. Es bedarf keiner zusätzlichen Energie, den Solarkollektor vollständig zu entleeren und den Pufferspeicher zu füllen.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:

Figur 1: eine Hybridkollektor-Solaranlage in einem ersten Betriebszustand; Figur 2: die Solaranlage in einem zweiten Betriebszustand und Figur 3: die Solaranlage nach der Rückkehr des Wärmeträgermediums in den ersten Betriebszustand;

In den Figuren 1 bis 3 ist eine Hybridkollektor-Solaranlage gezeigt, welche gesamthaft mit dem Bezugszeichen 11 beziffert ist. Herzstück der Solaranlage ist ein Hybridkollektor 13. Der Hybridkollektor 13 umfasst ein Photovoltaikmodul (PV-Modul) 15, welches auf einem thermischen Solarkollektor 17 angeordnet ist. Bevorzugt umfasst das PV- Modul 15 mehrere Solarzellen, welche zwischen zwei Glasplatten gehalten sind. Der thermische Solar kollektor 17 ist bevorzugt dadurch gebildet, dass eine Dichtung zwischen dem PV-Modul 15 und einer Platte komprimiert ist und die Dichtung die Platte von dem PV-Modul 15 beabstandet. Die Platte ist mit Klammern, Zwingen oder Schrauben an dem PV-Modul 15 gehalten. Der Hybridkollektor 13 ist über eine Zuleitung 19 mit einem Pufferspeicher 21 fluidleitend verbunden. In die Zuleitung 19 ist eine Pumpe 23 integriert, welche ein Wärmeträgermedium 25 von dem Pufferspeicher 21 in den thermischen Solarkollektor 17 pumpen kann.

Die Solaranlage 11 ist nicht vollständig mit dem Wärmeträgermedium 25 befüllt, sondern ein Teil der Solaranlage ist unbefüllt. Das Füllvolumen des Wärmeträgermediums 25 ist wenigstens so gross wie das Volumen des thermischen Solarkollektors 17. Dadurch ist sichergestellt, dass der thermische Solar kollektor 17 vollständig mit dem Wärmeträgermedium 25 befüllbar ist und möglichst viel Wärme auf das Wärmeträgermedium übergehen kann.

In Figur 1 ist ein erster Betriebszustand gezeigt, in welchem sich das Wärmeträgermedium 25 in dem Pufferspeicher 21 befindet. Die in dem Solarkollektor 17 aufgenommene Wärme wird dem Wärmeträgermedium 25 in dem Pufferspeicher 21 entzogen, beispielsweise durch einen in den Pufferspeicher 21 integrierten Wärmetauscher. Das Füllvolumen des Pufferspeichers 21 ist derart bemessen, dass das aufgeheizte Wärmeträgermedium 25, wenn es seine maximale Ausdehnung besitzt, in dem Pufferspeicher Platz findet. Dadurch, dass Wärmeträgermedium 25 vollständig in dem Pufferspeicher 21 aufgenommen wird, kann dem gesamten Wärmeträgermedium 25 in dem Pufferspeicher 21 die Wärme entzogen werden. Zusätzlich muss die Zuleitung 19 bis zur Pumpe 23 mit Wärmeträgermedium 25 befüllt sein, damit die Pumpe 23 nicht trocken läuft und das Wärmeträgermedium 25 ziehen kann. Zweckmässigerweise ist die Pumpe 23 auf einem Niveau angeordnet, welches unter dem Flüssigkeitsspiegel des Wärmeträgermediums 25 im ersten Betriebszustand liegt. Dadurch wird zwangsläufig Wärmeträgermedium 25 bis zur Pumpe 23 gedrückt.

Nachdem dem Wärmeträgermedium 25 in dem Pufferspeicher 21 die Wärme entzogen wurde, wird es mit der Pumpe 23 über die Zuleitung 19 in den thermischen Solarkollektor 17 gepumpt. In dem Solarkollektor 17 verbleibt das Wärmeträgermedium 25 bis eine definierte Temperatur oder ein definiertes Zeitintervall erreicht ist. In diesem zweiten Betriebszustand (Figur 2) ist der thermische Solarkollektor 17 vollständig mit dem Wärmeträgermedium gefüllt. Bevorzugt verbleibt eine kleine Menge an Wärmeträgermedium 25 in dem Pufferspeicher 21, um eine Reserve zu haben. Das gesamte Wärmeträgermedium 25 wird in dem thermischen Solar kollektor 17 durch die Sonneneinstrahlung aufgeheizt, bis die für den Betrieb der Solaranlage 11 notwendige Temperatur erreicht ist.

Die Solaranlage 11 kann drucklos betrieben werden, da diese nicht vollständig mit Wärmeträgermedium 25 gefüllt ist. Das Restvolumen der Solaranlage 11 ist frei von dem Wärmeträgermedium 25 und daher mit Luft befüllt. Dadurch kann sich das Wärmeträgermedium 25 während dem Aufheizen widerstandslos ausdehnen. Dies ist bei einer Hybridkollektor-Solaranlage 11 von besonderem Vorteil, da das Photo voltaikmodul 15 wenigstens eine druckempfindliche Glasplatte umfassen kann.

Die Pumpe 23 ist nicht, wie bei einer zirkulierenden Betriebsweise, bei der das Wärmeträgermedium 25 ständig in einem Kreislauf gepumpt wird, dauerhaft in Betrieb. Vielmehr wird die Pumpe 23 nur dann eingeschaltet, wenn von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand gewechselt wird und die Pumpe 23 das Wärmeträgermedium 25 von dem Pufferspeicher 21 in den thermischen Solarkollektor 17 pumpt. Dadurch lässt sich bei dem vorliegenden Verfahren die Pumpe 23 besonders energiesparend betreiben, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Solaranlage 11 verbessert wird.

Im nächsten Schritt wird eine Bypass-Leitung 27 geöffnet, welche die Pumpe 23 umgeht. Dadurch, dass der Solarkollektor 17 höher als der Pufferspeicher 21 und schräg angeordnet ist, entleert sich der Solar kollektor 17 selbsttätig und vollständig. Für die Entlee- rung des Solarkollektors 17 muss die Pumpe 23 daher nicht in Betrieb genommen werden. Der Pufferspeicher 21 wird durch die Schwerkraft selbsttätig mit dem aufgeheizten Wärmeträgermedium 25 befüllt. Nach der Befüllung des Pufferspeichers 21 kann dem Wärmeträgermedium 25 die Wärme entzogen werden. Zusätzlich ist der thermische Solarkollektor 17 mit dem Pufferspeicher 21 mit einer Überströmleitung 29 verbunden. Dadurch kann das sich während dem Aufheizen in dem thermischen Solarkollektor ausdehnende Wärmeträgermedium 25 in den Pufferspeicher über die Überströmleitung 29 zurückfliesen. Die Überströmleitung ermöglicht es, dass sich das Wärmeträgermedium 25 ausdehnen kann, ohne dass ein Druck in der Solaranlage 11 aufgebaut wird.

Das vorliegende Verfahren zum Betrieb der Hybridkollektor-Solaranlage 11 ermöglicht es, dass das Wärmeträgermedium 25 zwischen dem thermischen Solarkollektor 17 und dem Pufferspeicher 21 hin und her pendelt. In überraschenderweise hat der Erfinder herausgefunden, dass diese Betriebsweise zu einer Steigerung des Gesamtwirkungsgra- des im Vergleich zu einer zirkulierenden Betriebsweise führt. Um die pendelnde Betriebsweise realisieren zu können ist das Füllvolumen des thermischen Solarkollektors 17 derart dimensioniert, dass es höchstens dem Volumen des abgekühlten Wärmeträgermediums 25 entspricht. Dadurch lässt sich der thermische Solarkollektor 17 immer vollständig mit dem Wärmeträgermedium 25 befüllen. Durch die vollständige Entlee- rung des thermischen Solar kollektors 17 bei Beendigung des zweiten Betriebszustandes lässt sich die Bildung von Totzonen verhindern, welche sich bei einer zirkulierenden Betriebsweise in einem Solarkollektor häufig bilden.

Das Füllvolumen des Pufferspeichers 21 ist derart dimensioniert, dass es mindestens dem Volumen des aufgeheizten Wärmeträgermediums 25 entspricht. Dadurch lässt sich das gesamte aufgeheizte Wärmeträgermedium 25 in dem Pufferspeicher 21 aufnehmen und kann dort seine Wärme abgeben. Legende:

11 Hybridkollektor-Solaranlage

13 Hybridkollektor

15 Photovoltaikmodul

17 Thermischer Solarkollektor

19 Zuleitung

21 Pufferspeicher

23 Pumpe

25 Wärmeträgermedium

27 Bypass-Leitung

29 Überströmleitung