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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Sonnenenergienutzung gemäss Oberbegriff von Anspruch 1, bei der mit Hilfe eines Sonnenkollektors, eines Stirlingmotors und einer Pumpe, warme Flüssigkeit aus dem Kollektor, ohne eine andere Energiezufuhr als die der Sonneneinstrahlung, zu einem Wärmeenergiespeicher oder Wärmeenergieverbraucher gepumpt werden kann.
Bei Sonnenkollektoren, wie sie zum Beispiel für die Erwärmung des Brauchwassers in Haushalten benützt werden, stellt sich folgendes Problem. Der Sonnenkollektor ist an einem sehr hohen Punkt im System - meist dem Hausdach - angebracht, der Boiler ist häufig im Keller. Die Flüssigkeit im Kreislauf wird am Dach erwärmt, dabei nimmt das spezifische Gewicht ab. Daher muss die spezifisch schwerere kalte Flüssigkeit auf das Dach gepumpt werden, damit die erwärmte In den Boiler gelangen kann. Herkömmliche Anlagen machen dies mit einer elektrischen Pumpe. Der Nachteil ist, dass man so einem System zur (Wärme-) Energiegewinnung elektrische Energie zuführen muss.
Bekannte Anlagen mit Stirtingmotor (z. B. US 5 228 293 A) verwenden den Stirlingmotor zur Gewinnung der im Sonnenkollektor gesammelten Energie. Allerdings wird dabei auch wieder eine Pumpe benötigt, welcher (LA elektrische) Energie zugeführt werden muss. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Pumpe vom Stirlingmotor angetrieben. Es ist vorgesehen, wenn auch nicht unbedingt Voraussetzung, dass der Stirllngmotor nur für den Antrieb der Pumpe verwendet wird. Dadurch kann, zum Unterschied von allen bekannten Systemen, die Pumpe direkt mit der vom Sonnenkollektor gesammelten Wärmeenergie angetrieben werden.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, dass durch geeignete Anordnung eines Stirlingmotors, die Pumpe direkt mit der vom Sonnenkollektor gesammelten Wärmeenergie angetrieben werden kann.
Gemass Anspruch 1 wird die Pumpe von einem Stirlingmotor angetrieben. So kann man zum Herabpumpen der warmen Flüssigkeit ebenfalls die Wärmeenergie des Sonnenlichts nutzen.
Wird der Stirlingmotor gemass der Erfindung (Anspruch 2) höher als der Sonnenkollektor angebracht, so steigt bel Stillstand des Stirllngmotors die von den Sonnenstrahlen erwärmte Flüssigkeit im Kreislauf vom Sonnenkollektor zum Motor auf. Dadurch wird der Stirlingmotor einseitig erwärmt, beginnt zu laufen und treibt die Pumpe an Dadurch wird die erwärmte Flüssigkeit zum Wärmeenergieverbraucher, der somit tiefer liegen kann, gepumpt. Dabei wird die warme Flüssigkeit immer am Stirlingmotor vorbeigeführt, wodurch dieser mit ausreichend Energie für den Betrieb versorgt wird. Kommt keine warme Flüssigkeit mehr aus dem Kollektor, so stellt der Motor die Arbeit ein, was ja auch sinnvoll ist, da sonst der Wärmeenergieverbraucher gekühlt statt erwärmt würde.
Gemäss Anspruch 3 kann der Stirlingmotor mit der kühleren vom Verbraucher her gepumpten Flüssigkeit gekühlt werden. Da der Stirlingmotor nur laufen kann, solange zwischen "kalter" und "warmer Seite" eine Temperaturdiffererenz anliegt, ergibt sich durch diese Anordnung ein erheblicher Vorteil. Nur wenn eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen der Flüssigkeit, die durch den Sonnenkollektor fliesst, und der, die aus dem Wärmeenergiespeicher oder dem Wärmeenergieverbraucher kommt, besteht, läuft der Motor. Wenn unten die Flüssigkeit nicht mehr viel kühler ist, als die durch den Sonnenkollektor erwärmte. so stellen der Motor und die Pumpe ihre Arbeit ein. Ob dann z. B. ein Boiler im Keller schon sehr warm ist, oder der Kollektor die Flüssigkeit nicht mehr erwärmen kann, hat den selben Effekt.
Eine Anlage, wie eben beschrieben, kann warme Flüssigkeit auf ein tieferes Niveau für verschiedene Anwendungen pumpen. Ob nun in einem Keller ein weiterer Stirlingmotor zur Stromerzeugung betrieben, oder ein Boiler erwärmt wird spielt keine Rolle. Bei letzterer Variante, oder auch bei Verwendung eines
Steinspeichers oder ähnlichem, sind aber weitere Zusätze sinnvoll.
Ein Ventil (gemäss Anspruch 4), weiches einen Durchfluss der Flüssigkeit gegen die reguläre Flussrichtung unterbindet, verhindert die Abkühlung des Wärmeenergiespeichers in Zeiten fehlender Sonnenein- strahlung.
Das System kann (gemass Anspruch 5) noch durch ein mechanisches, temperaturgesteuertes Ventil (z. B. Bimetallprinzip) erweitert werden, welches thermisch mit dem Wärmeenergiespeicher gekoppelt ist, und den Flüssigkeitskreislauf bei überschreiten einer kritischen Temperatur unterbricht. Damit kann bei- spielsweise ein Boiler vor Überhitzung geschützt werden. Eine elektronische Steuerung, die wieder elektri- sche Energie - wenn auch nur minimal - benötigen würde, kann somit vollständig entfallen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Wärmegewinnungsanlage
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wärmegewinnungsanlage mit alternativer Kühlung des
Stirlingmotors
Eine Anlage, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, umfasst einer Sonnenkollektor (1) in weichem eine
Flüssigkeit durch Sonnenstrahlung (2) erwärmt wird. Die Flüssigkeit wird in einem geschlossenen Leitungs- system (3) geführt, und steigt zu einem erhöht angeordneten Stirlingmotor (4) auf. Dort gibt sie über einen
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Wärmetauscher (5) einen kleinen Teil ihrer Energie an den Stirlingmotor (4) ab. Aufgrund der Erwärmung treibt dieser eine Pumpe (6) an, die in der Folge die erwärmte Flüssigkeit durch ein Leitungssystem (3) zu einem Wärmeenergieverbraucher (7) befördert. Dort gibt die Flüssigkeit den Rest ihrer Wärmeenergie ab.
Durch ein Ventil (8) wird verhindert, dass der Prozess in umgekehrter Richtung ablaufen könnte. Dies wäre dann denkbar, wenn z. B. der Wärmeenergieverbraucher (7) ein Speicher ist und seinerseits die, zu einem anderen Zeitpunkt kühlere, Flüssigkeit wieder erwärmen könnte.
In Figur 2 ist der Wärmeenergieverbraucher (7) als Speicher ausgeführt. Es macht dann Sinn, durch ein Temperaturventil (9) den Flüssigkeitskreislauf ab einer bestimmten Temperatur zu stoppen, um eine Überhitzung des Speichers zu verhindern (Verkalkung eines Boilers). Als alternative Führung der Leitungen (3) ist die Kühlung des Stirlingmotors (4) in Figur 2 durch einen weiteren Wärmetauscher (10) ausgeführt.
Dadurch liegt am St ! r ! ingmotor (4) im Betrieb in etwa immer die Temperaturdifferenz zwischen Sonnenkollektor (1) und Wärmeenergieverbraucher (7) an. Dadurch ist gewährleistet, dass der Pumpe (6) nur dann Flüssigkeit fördert, wenn die Temperatur im Sonnenkollektor (1) höher ist, als die im Wärmeenergieverbraucher (7).