AT409199B - Vorrichtung zur erzeugung von wärme und strom aus sonnenenergie - Google Patents

Description

AT 409 199 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme und Strom aus Sonnenenergie unter Verwendung von Sonnenkollektor, Elektrolysator und Brennstoffeelle.

Die heute verwendeten Sonnenkollektoren weisen üblicherweise Koliektorflächen mit Wärmeträgerrohren auf, durch die ein Wärmeträger, wie Wasser, strömt. Der grundlegende Nachteil derartiger Sonnenkollektoren liegt darin, daß die aus der Sonnenenergie umgesetzte Wärmeenergie gerade dann nicht zur Verfügung steht, wenn sie besonders benötigt wird, wie z.B. in der Nacht und an dunklen Tagen im Winter. Die Speichermöglichkeiten für die erzeugte Wärme sind für die Praxis ungenügend.

Weiters sind Solarzellen auf Halbleiterbasis bekannt, die die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln. Die Speicherung von Elektrizität in Batterien ist Stand der Technik und in der Praxis ebenfalls nachteilig.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Energiesystem ohne Umweltbelastung auf kleinstem Raum zu schaffen. Die Speicherung der Sonnenenergie soll mit höchster Effizienz erfolgen und der thermische Kreislauf soll ohne externe elektrische Energie betrieben werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß folgende Komponenten vorgesehen sind: - Sonnenkollektor(en) mit Wärmeträgerrohren, - Solarzellen, - Wärmekreislauf (mit Wärmeverbraucher), - Stromkreislauf (mit Strom Verbraucher), wobei im Stromkreislauf ein Elektrolysator zur Erzeugung von Wasserstoff und gegebenenfalls Sauerstoff im Speicherbetrieb sowie eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung aus Wasserstoff und Sauerstoff angeordnet sind und daß für den Wasserstoff ein Wasserstoffspeicher und gegebenenfalls für den Sauerstoff ein Sauerstoffspeicher vorgesehen sind.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Patentansprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Fig. 1 ist die schematische Darstellung der Vorrichtung in Verbindung mit einem Gebäude, Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kollektoreinheit, Fig. 3 ist die Aufsicht auf ein Beispiel für den Sonnenkollektor und Fig. 4 ist ein abgebrochener Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3.

Die Fig. 1 zeigt die Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme und Strom aus Sonnenenergie anhand eines Beispieles für ein Gebäude, wie z.B. Einfamilienhaus. Auf dem Dach 1 des Gebäudes ist eine Kollektoreinheit 2 angeordnet, in der der Wärmeträger, wie z.B. Wasser, welches vom Zulaufrohr 3 einströmt, erhitzt wird und als Heißwasser über das Ablaufrohr 4 abläuft. Das Heißwasser wärmt mittels entsprechender Wärmetauscher einen Nutzwassertank 5 und einen Heizkessel 6. Als Wärmeverbraucher sind schematisch Heizkörper 7 eingezeichnet, die vom Heizkessel 6 gespeist werden. Gesteuerte Pumpen 8, 9 regeln den Wärmekreislauf.

Die erfindungsgemäße Kollektoreinheit 2 verfügt über Solarzellen, deren Strom gemäß Erfindung über die Leitungen 3, 4 und die Eiektroleitungen 10 an den Stromeingang eines Elektrolysa-tors 11 gelangt. Über die Wasserzuleitung 12 wird Wasser eingespeist, welches durch den Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Über die Wasserstoffleitung 13 wird das erzeugte Wasserstoffgas einem Wasserstoffspeicher 15 eingespeist und der erzeugte Sauerstoff wird über die Sauerstoffleitung 14 einem Sauerstofftank 16 eingespeist. Alternativ kann der Sauerstoffauch in die Umgebungsluft abgeleitet werden, so daß lediglich das Wasserstoffgas gespeichert wird und die Sauerstoffleitung 14 und der Sauerstofftank 16 entfallen können. Der Sauerstoff kann auch direkt einem anderen Verbraucher zugeleitet werden.

Vom Wasserstoffspeicher 15 kann bei Bedarf der gespeicherte Wasserstoff der Brennstoffeelle 17 zugeführt werden, in der auf bekannte Weise mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser Strom erzeugt wird. Der Strom wird über die Stromleitung 18 einem schematisch angedeuteten Stromverbraucher 19 zugeleitet. Als Stromverbraucher sind beispielsweise die Steuereinrichtungen für das System, die Pumpen 8, 9 und auch Heizelemente für die Aufheizung des Wärmekreislaufes anzuführen.

Bei diesem vorgeschlagenen System wird somit die Sonnenenergie in Wärme und in elektrische Energie umgewandelt. Die Wärme wird entweder sofort verbraucht oder in den Kesseln 5, 6 gespeichert. Die Stromenergie wird in Form von Wasserstoffgas gespeichert und kann bei Bedarf 2

Claims (5)

1. AT 409 199 B wieder in Strom umgewandelt werden. Überdies ist es auch möglich, das Wasserstoffgas direkt mit Luftsauerstoff zu verbrennen und somit direkt in Wärmeenergie umzuwandeln. Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel für die Kollektoreinheit 2. Die Einheit umfaßt einen Sonnenkollektor 20 und auf dessen Sonnenseite eine Solarzelle 21. Die Kollektoreinheit ist von einem thermischen Isolator 22 umgeben und zur Sonnenseite hin von einer lichtdurchiässigen Abdeckplatte 23 abgedeckt. Bevorzugt besteht sie aus Glas. Eine Rahmenkonstruktion 24 verleiht der Kollektoreinheit die erforderliche Steifheit, so daß sie als strukturelles Bauelement im Hausbau eingesetzt werden kann. Die Fig. 3 zeigt schematisch die Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Sonnenkollektor im Inneren der Kollektoreinheit 2. Das Wärmeträgerrohr 27 ist in Schleifen angelegt und von Kollektorplatten 26 abgedeckt. Das Kaltwasser strömt beim Zulaufrohr 3 ein und beim Ablaufrohr 4 strömt das erhitzte Wasser wieder ab. Auf den Kollektorplatten sind in unmittelbarem Kontakt Solarzellenflächen 28 angeordnet. Auf die Querschnittsdarstellung in Fig. 4 wird ebenfalls verwiesen. In bevorzugter Weise werden die Solarzellenflächen direkt auf die Koilektorplatten 26 aufgedampft. Die Solarzellenflächen sind elektrisch mit der Stromleitung 29 verbunden, die ihrerseits mit dem Zulaufrohr 3 und Ablaufrohr 4 leitend verbunden sind. Das Wärmeträgerrohr 27 oder das Zu- und Ablaufrohr 3, 4 sind an geeigneter Stelle elektrisch durch ein Isolierstück 25 unterbrochen. Somit dient das Zulaufrohr 3 und Ablaufrohr 4 nicht nur für die Leitung des Warmwasserkreislaufes sondern auch für den Stromtransport von den Solarzellen zum Elektrolysator 11. Eine so ausgebildete Koliektoreinheit hat lediglich zwei Anschlußstücke, nämlich die Anschlüsse für den Wasserzulauf und Wasserablauf, über die auch der Stromtransport erfolgt. Durch das Integrieren der beiden Systeme wird folgendes erreicht: Stromführung über das Rohrsystem des Kollektors, Isolation des Rohrsystems, Kontaktieren der Solarzelle. Damit sinken die Leitungsverluste und Leitungskosten erheblich. Gegenüber separaten Stromleitungen von 1,5 mm1 2 kann der Leitungsverlust um den Faktor 10 bis 30 gesenkt werden, wenn z.B. Cu-Rohre von 15 mm Durchmesser und 1 mm Wandstärke zur Leitung verwendet werden. Weiters ist es bevorzugt, den Elektrolysator 11 und die Brennstoffeelle 17 zu einer Baueinheit zu verbinden, um die Handhabung des gasförmigen Wasserstoffes zu erleichtern und sicherer zu machen. Die zur Steuerung und Stromumwandlung benötigten Vorrichtungen sind hier nicht im Detail ausgeführt, da sie von jedem Fachmann entsprechend gewählt werden können. Die Kollektoreinheit ist bevorzugt als stabile Baueinheit vorgesehen, die tragender Bestandteil der Dachhaut oder einer Fassade bilden kann. Dadurch ergeben sich Einsparungsmöglichkeiten bei den Baukosten. Durch die dargestellte Konstruktion ist sichergestellt, daß die Kollektoreinheit insgesamt einen guten Wirkungsgrad aufweist. Die direkte Anordnung der Solarzellenflächen auf den Kollektorplatten gewährleistet eine im wesentlichen ungehinderte Umwandlung der Sonnenenergie in Wärmeenergie und gleichzeitig über die gleiche Fläche die Stromerzeugung. Durch den Wärmeträger in den Rohren 27 erfolgt eine Kühlung der Solarzellen auf die Temperatur des Wärmetransportmittels. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat mehrfache Vorteile: die Leitungsverluste sinken; die Solarzelle ist geschützt; die benötigte Fläche ist halbiert; die Montagekosten sind halbiert; der Wirkungsgrad der Solarzelle steigt wegen der Kühlung durch den Kollektor (Wärme wird in den Boiler gebracht); der elektrische Strom zum Betreiben des thermischen Kreislaufes wird dann erzeugt, wenn er benötigt wird; das System ist unabhängig vom Stromnetz; die Kosten des Sollektors betragen nur einen Teil der Kosten von Solarzelle und Kollektor, da nur ein Gehäuse benötigt wird. PATENTANSPRÜCHE: 3 1 Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme und Strom aus Sonnenenergie unter Verwendung von folgenden Komponenten: - Sonnenkollektor(en) mit Wärmeträgerrohren und Solarzellen, 2 - Wärmekreislauf (mit Wärmeverbraucher) und AT 409 199 B - Stromkreislauf (mit Stromverbraucher), wobei im Stromkreislauf ein Elektrolysator zur Erzeugung von Wasserstoff und gegebenenfalls Sauerstoff sowie eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung aus Wasserstoff und Sauerstoff angeordnet sind und wobei für den Wasserstoff ein Wasserstoffspeicher und gegebenenfalls für den Sauerstoff ein Sauerstoffspeicher vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ablaufrohre (3,4) der Wärmeträgerrohre (27) aus elektrisch leitendem Material bestehen und als Stromleiter des Stromkreislaufes zwischen Solarzellen und Elektrolysator vorgesehen sind, wobei das Wärmeträgerrohr (27) an wenigstens einer Stelle durch ein Isolierteil (25) elektrisch unterbrochen ist und daß als Wärmeträger eine Flüssigkeit mit erhöhtem elektrischen Widerstand vorgesehen ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sonnenkollektor(en) (20) und Solarzellen (21) in einer Kollektoreinheit (2) vorgesehen sind, wobei die Solarzellen (21) als Dünnschichtelemente auf der Sonnenseite des Sonnenkollektors (20) angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (21) direkt auf der Kollektorplatte (26) aufgebracht, beispielsweise aufgedampft sind.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoreinheit (2) thermisch isoliert (22) und von einer Rahmenkonstruktion (24) umschlossen und zur Sonnenseite mit einer Abdeckplatte (23) abgedeckt ist und als Baueinheit zur Dachdeckung oder Fassadenverkleidung ausgebildet ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Solarzellen (21) erzeugte Strom zum Betrieb des Elektrolysators und/oder der Steuer- und Pumpgeräte (8, 9) der Vorrichtung dient und daß wahlweise der in den Brennstoffzellen (17) erzeugte Strom zur Beheizung des Wärmekreislaufes und Speisung der Steuer- und Pumpgeräte der Vorrichtung herangezogen wird. HIEZU 3 BLATT ZEICHNUNGEN 4