DE10008404A1 - Speicherung thermischer Solarenergie durch Methoden einer heterogenen Verdampfung und gleichzeitiger Optimierung des Kollektorwirkungsgrades durch Einbinden einer Wärmepumpe und/oder Kollektorabdeckung in Form einer Dünnschicht-Solarzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Methoden der Solarenergie-Speicherung entsprechend der Definition der Speichermethode aus Anspruch 1.

Die wenig effiziente thermische Speicherung von Solarenergie ist nach wie vor ein großes Hindernis für eine verstärkte Nutzung derselben.

Die wesentlichen Gründe liegen darin, dass die gespeicherte Energie pro Volumeneinheit bescheiden ist, verglichen z. B. mit fossilen Energieträgern. Deshalb sind große Volumina zur Speicherung erforderlich, die außerdem noch gut wärmeisoliert werden müssen. So können z. B. Warmwasserspeicher zur Versorgung einer Wohneinheit meist nur in Neubausiedlungen angelegt werden, wenn genügend Platz für einen unterirdischen Einbau zur Verfügung steht.

Eine weitere Begrenzung der Speicherfähigkeit ergibt sich daraus, dass das Temperaturniveau relativ niedrig bleibt. Thermische Speicherung auf höherem Tempe­ raturniveau (< 100°C) - z. B. Heißwasser - würde die Speicherung aufgrund hohen technischen Aufwands stark verteuern.

Bei der thermischen Solarenergie-Nutzung sind Temperaturen größer 100°C in unseren Breiten weitgehend ausgeschlossen. Temperaturen von 100°C in einem Kollektor lassen sich in unseren Breiten auch nur an wenigen heißen Sommertagen bei hoher Solar­ strahlungsleistung erzielen.

Für die Speicherung der thermischen Solarenergie - z. B. in Warmwasserbecken - kommt ein weiterer Nachteil hinzu: damit die Speicherkapazität maximal ausgenutzt werden kann, muss der Speicher im Sommer auf eine Temperatur von ca 95°C erwärmt werden. Allerdings wird mit wachsender Temperatur des Speichermediums der Kollektor- Wirkungsgrad immer kleiner und beim Erreichen der anzustrebenden Endtemperatur liegt er erheblich unterhalb dem Wirkungsgrad einer Solarzelle.

Die Speicherung thermischer Solarenergie bei verbessertem Wirkungsgrad der Solar­ energie-Gewinnung ist Aufgabe der Erfindung.

Diese Aufgabe wird durch Speicherung der thermischen Energie durch Methoden hetero­ gener Verdampfung mit kombinierten Solarzellen-Kollektoren unter Einbindung einer Wärmepumpe in Anlagen mit den Merkmalen aus den Ansprüchen der Patentanmeldung gelöst.

Die Anlage besteht aus einer Kombination eines mit einer Solarzelle kombinierten Solarkollektors, ein Druckbehälter für festes Absorber-(Speicher-)Material, einen Druckbehälter für die verflüssigte Gaskomponente der Heterogen-Reaktion-Partner, eine Wärmepumpe.

Thermische Solarenergie wird in einem Flüssigkeits-Kollektor absorbiert und über das Wärmeträgermedium über einen Wärmetauscher an die feste Substanz einer chemischen Verbindung abgegeben. Diese chemische Verbindung (AB) gibt bei Aufnahme thermischer Energie eine gasförmige Komponente ab gemäß folgender allgemeinen Beziehung:

Im umgekehrten Fall der Vereinigung von A und B wird diese thermische Energie wieder frei gesetzt. Unter unveränderten Bedingungen strebt diese Reaktion einem Gleichgewichtszustand zu, d. h. pro Zeiteinheit ereignen sich ebenso viele Hin- wie Rückreaktionen. In der Literatur werden viele solcher heterogenen Gleichgewichtsreaktionen beschrieben.

Die Speicherung der frei gesetzten Energie wird dadurch bewerkstelligt, dass die gasförmige Komponente B ständig abgepumpt wird. Damit wird der Druck erheblich unter dem der Temperatur im Reaktionsraum entsprechenden Gleichgewichtswert gehalten und die Reaktion verläuft im Wesentlichen von links nach rechts. Das verdampfte Medium wird verflüssigt und in einem Behälter gesammelt. Die Wärmeenergie bleibt damit so lange gespeichert bis keine Rückreaktion stattfindet. Dazu kommt es in der Heizperiode. Ein Teil des verflüssigten Gases wird durch Abwärme verdampft, gelangt in den Reaktionsraum und reagiert mit dem festen Medium. Dabei wird wieder Wärme frei gesetzt, die für Heizzwecke abgeführt wird. Um den Vorgang der Wärmebildung aufrecht zu erhalten, muss der Gasdruck höher gehalten werden als es dem Gleichgewichtszustand bei der Temperatur im Reaktionsraum entspricht.

Um mehr Solarenergie primär zu gewinnen, kann eine Wärmepumpe eingebaut werden. Die Wärmepumpe entzieht dem Wärmeträgermedium einen erheblichen Teil seiner Restwärme, so dass dieses mit nahezu Außentemperatur wieder in den Kollektor eintritt. Damit wird erreicht, dass der Kollektor stets mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird.

Das Arbeitsmittel der Wärmepumpe gibt die aus dem Wärmeträgermedium des Kollektors gewonnene Wärme auf höherem Temperaturniveau an die chemische Reaktion ab.

Um die Vorgänge weitgehend energieautark zu halten wird eine Kombination von Kollektor und Solarzelle vorgeschlagen. Der Kollektor kann so konstruiert werden, dass seine Abdeckung (wenigstens teilweise) als Dünnschicht-Solarzelle ausgebildet ist. Man kann davon ausgehen, dass für diese Solarzellen bald ein Wirkungsgrad von < 10% Standard sein wird und dass sie unempfindlich gegenüber Temperaturen bis 100°C sind. Die Solarstrahlung gibt dabei ca. 20-25% ihrer Energie ab, der Rest verbleibt der thermischen Nutzung. Mit der so gewonnenen elektrischen Energie wird die Wärmepumpe angetrieben. Alternativ kann die elektrische Energie dazu dienen, durch Rückwandlung in thermische Energie auf hohem Temperaturniveau dem chemischen Reaktionsverfahren zuzuführen. Auch bei rein thermischer Speicherung gewinnt dieses kombinierte Verfahren einen Vorteil, wenn thermische Solarenergie auf hohem Temperaturniveau einem thermischen Speicher zuzuführen ist (z. B. Erwärmung ab 75°C bis 95°C). Bei gering vorhandener Solarstrahlungsleistung wird das schon für Temperaturen wesentlich unterhalb der angegebenen Temperaturspanne interessant.

Beispielbeschreibung zu meiner Einleitung einer Patentanmeldung vom 21.02.2000

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Prinzipskizze in Zeichnung 1 dargestellt. Das erwärmte Wärmeträgermedium des Solar-Kollektors durchquert den Behälter B1 und gibt dabei einen Großteil seiner thermischen Energie ab. In B1 werden Moleküle des gas­ förmigen Reaktionspartners abgetrennt. Wichtig ist, dass der Gasdruck niedrig bleibt, damit die Reaktion stark in Richtung Trennung gasförmige Komponente verläuft.

Das aus dem Behälter B1 austretende Wärmeträgermedium des Kollektors durchquert se­ kundärseitig den Verdampfer einer Wärmepumpe. Dort wird ihm seine noch vorhandene Restwärme entzogen, so dass es mit niedriger Temperatur wieder in den Kollektor eintritt. Die frei gesetzte gasförmige Komponente wird verflüssigt und in einem Behälter gesammelt.

Bei geringer Solarstrahlung kann das Wärmeträgermedium auch an dem Behälter B1 vorbei gelenkt werden direkt zum Verdampfer der Wärmepumpe.

Bei hohem Solarstrahlungs-Angebot erhält die Wärmepumpe ihre elektrische Energie über die Solarzelle, die die Abdeckung des Solar-Kollektors bildet. Reicht diese bei geringer Solarstrahlung nicht aus, muss der Bedarf durch das Netz gestützt werden. Wenn es aus energetischen Gründen vorteilhaft erscheint, kann die elektrische Energie aus der Solarzelle auch in thermische auf hohem Temperaturniveau gewandelt werden.

Die Behälter B1 und B2 müssen so entkoppelt werden können, dass sie beide in entgegen gesetzter Betriebsweise arbeiten können, d. h. dass ein Behälter Wärmeenergie aufnimmt und der zweite abgibt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die entsprechenden Einzeldarstellungen verzichtet.

Claims (2)

1. Solare Energiespeicherung durch heterogene Verdampfung, dadurch gekennzeichnet, dass unter Einbindung einer Wärmepumpe die durch den So­ larkollektor eingebrachte thermische Energie dadurch optimal genutzt werden kann, dass das Wärmeträgermedium des Solarkollektors bis auf ein Temperaturniveau nahe Außentemperatur abgekühlt wird.

2. Solare Energiespeicherung durch heterogene Verdampfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorabdeckung durch eine Dünnschicht- Solarzelle gebildet wird, die als Energiequelle für die Wärmepumpe dient oder das Wärmeträger medium bei geringer Solarstrahlungsleistung nahezu verlustfrei nacherwärmt wird.