DE10052972A1 - Sonnenenergie-Speicher und Sammelsee - Google Patents

Abstract

Unter einer auf einem Gewässer schwimmenden, transparenten Abdeckung (1) ist eine wärmeisolierende, auf ihrer Oberseite schwarze Absorberplatte (3) so angeordnet, daß sie über einen Bewegungsmechanismus, der beispielsweise aus einem Motor (4b) sowie einem Rollen-Seil-System (4a) besteht, vertikale Auf- und Abbewegungen ausführen kann. Temperatursensoren (5) auf der Absorberplatte steuern während des Tages die Abwärtsbewegung, derart, daß eine isotherme, in Funktion der Einstrahlung wachsende Heißwasserschicht oberhalb der Absorberplatte entsteht (1a). Diese ist ein Speichertank, dessen seitlicher Abschluß durch die wärmeisolierenden Wände (1b) gegeben ist, gegenüber dem umgebenden, kühleren Gewässer gut thermisch isoliert. DOLLAR A Während der Nacht oder Schlechtwetterperioden steigt die Absorberplatte (3) unmittelbar unter die schwimmende transparente Abdeckung. Das sich oberhalb von ihr befindliche heiße Wasser wird durch kleine Löcher in der Absorberplatte verwirbelungsfrei unter diese gedrückt und ist somit seitlich und nach oben hin sehr gut wärmeisoliert.

Description

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Teil eines bestehenden Gewässers (künstlicher oder natürlicher Teich, See, Meer) in ein effizientes Sonnenenergie Sammel- und Speichersystem umzuwandeln.

Ziel ist es, auf möglichst ökonomische Weise große Mengen heißen Wassers zu erzeugen und auch über längere Zeiträume hinweg effizient zu speichern. Technische Aufgabe ist es dabei, die natürliche Gegebenheiten vorhandener Gewässer technisch so zu ergänzen, dass das Ziel mit möglichst geringem technischem Zusatzaufwand erreicht wird.

Typische Nutzungsanwendungen sind beispielsweise die Beheizung ganzer Gebäudekomplexe oder Siedlungen mit vorwiegend im Sommerhalbjahr produziertem Heißwasser, oder die Erzeugung von rund um die Uhr zur Verfügung stehender Prozesswärme zum Betrieb von thermischen Niedertemperaturwasserentsalzungsanlagen oder wie beispielsweise die Umsetzung der Wärme in mechanische Arbeit, Elektrizität und Kälte durch Rankine Prozesse oder Niedertemperaturstirlingmaschinen.

Vorbekannt sind in diesem Zusammenhang die sogenannten "Solar Ponds", die auf einem um 1900 in Ungarn entdeckten und in den 50er Jahren in Israel von Tabor et. Al. weiterentwickeltem physikalischen Effekt beruhen.

Danach besteht in einem See von einigen Metern Tiefe das Oberflächenwasser aus Süßwasser, während die darunterliegenden Schichten Salzwasser mit stetig wachsender Konzentration zum Seegrund hin sind. Das zu einem Teil bis auf den Grund dringende Sonnenlicht wird dort absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Wärme kann jedoch nicht - wie bei normalen Süß- oder Salzwassergewässern mit fehlender Dichtestratifikation - über Konvektion nach oben transportiert werden (und somit die Wärme über die Oberfläche verlieren), da die am Seegrund liegenden, stark salzhaltigen Wasserschichten trotz höherer Temperatur schwerer als die darüberliegenden sind.

Auf diese Weise erhitzt sich der untere Bereich des "Solar Ponds" und wird durch die darüberliegenden süßen Wasserschichten relativ gut wärmeisoliert.

Das Prinzip weist jedoch einige gravierende Mängel auf: Einerseits wird ein bedeutender Teil der solaren Einstrahlung bereits in den oberen Süßwasserschichten absorbiert und vermindert damit den Wirkungsgrad des nutzvoll eingespeicherten Heißwassers auf ca. 15-20%.

Andererseits muss die Salzstratifizierung, die den natürlichen Antriebskräften entgegenwirkt, ständig durch Injektion von Sole in die richtigen Schichten erneuert werden.

Schließlich können durch Wind erzeugte Oberflächenwellen das Wassergefüge zum "Kippen" bringen, und müssen durch technische Maßnahmen unterdrückt werden. Außerdem stößt die Tatsache, dass das heiße, stark salzhaltige Wasser am Boden des Ponds in das Grundwasser eindringen könnte, für viele mögliche Standorte auf ökologische Bedenken.

Ein grundsätzlich anderer Ansatz zur Realisierung eines Sammel- und Speichersees wird in der dt. Offenlegungsschrift DE 37 28 951 A1 geschildert. Dabei wird auf ein bestehendes Gewässer eine schwimmende isolierte Platte installiert. Nach unten hin wird diese durch hinzufügen von wärmeisolierenden Wänden zu einem Speicherbehälter komplettiert.

Die sich im Luftraum befindliche Oberseite der schwimmenden Deckplatte ist an ihrer Oberseite schwarz gefärbt und von mindestens einer transparenten Folie, die an den Rindern der Platte befestigt ist, überspannt. Zwischen Folie und Platte befindet sich eine dünne Wasserschicht, die durch die Sonne erwärmt wird. Nach Erreichen einer definierten Temperatur sorgt eine Pumpe für den Transport des heißen Wassers direkt unter die isolierende Platte, wo sich das Wasser aufgrund seines Auftriebes in einer vorerst dünnen, dann ständig (in Funktion der Sonnenstrahlung) wachsenden, stabilen Schicht einspeichert.

Gegenüber dem vorgängig beschriebenen "Solarpond" besitzt diese Anordnung einige Vorteile:

• 1. Das gesamte Solarspektrum wird zur Erwärmung genutzt, was zu erheblich höheren Wirkungsgraden führt
• 2. Keine Dichtestratifikation wird benötigt
• 3. Die Schichtung erfolgt unter Nutzung der Gravitation und muss diese nicht umgehen

Trotz der geschilderten Vorteile der letztgenannten Anordnung gegenüber dem "Solar Pond", weist die Anordnung Nachteile auf, welche die vorliegende, im Folgenden geschilderte Erfindung zu vermeiden sucht. Die Hauptnachteile sind: Um einen gleichmäßigen Abzug der dünnen Wasserschicht auf der Oberseite der Platte zu gewährleisten, muss diese in entsprechende Felder unterteilt werden; damit die nötige Pumpleistung minimiert wird, ist eine recht aufwendige parallele Anströmung nötig; um das Wasser turbulenzfrei unter die Platte einzuschichten ist ein erheblicher technischer Aufwand nötig. Bei Wellengang muss die gesamte Anordnung durch Wellenbrecher und andere Maßnahmen mit erheblichem Aufwand stabilisiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die technische Aufgabe, wie in Fig. 1 dargestellt, auf folgenden Weise gelöst: Auf der Oberfläche das Gewässers (2) schwimmt ein durchsichtiges, luftgefülltes, kissenähnliches Gebilde, um dessen Peripherie eine wärmeisolierende Schürze (1) einen nach unten offenen zylinderförmigen Speicher bildet. Unterhalb des Kissens schwebt im Wasser eine oben schwarze, mit einigen Durchtrittslöchern (3a) versehene, wärmeisolierende Platte. Die Platte wird durch einen Bewegungsmechanismus (4), der im gezeichneten Fall aus Seilen, Rollen (4a) und einem Motor (4b) besteht, so langsam vertikal nach unten und oben bewegt, dass das die Löcher (3a) durchdringende Wasser zu keiner nennenswerten Verwirbelung führt.

Die einfallende Sonnenstrahlung (6) durchdringt die transparente Abdeckung (1) und das darunterliegende Wasser (1a). Ein Teil der Strahlung (der infrarote Anteil) wird direkt im Wasser in Wärme umgewandelt, während der Rest auf der schwarzen Oberseite (3a) der Absorberplatte (3) in Wärme umgewandelt wird, die direkt auf die Wasserschicht, (1a) übertragen wird. Temperatursensoren (5), die sich in geringem Abstand oberhalb der Absorberplatte (3) befinden messen die Temperatur des Wassers. Sobald dieses einen einstellbaren Wert (z. B. 70°C) überschreitet, wird der Motor (4b) des Antriebssystems in Bewegung gesetzt und befördert die Absorberplatte langsam mittels eines Rolle-Seil Mechanismus (4a) nach unten.

Dabei wird kühleres Wasser aus den unteren Wasserschichten durch die Löcher (3a) in die Heißwasserschicht (1a) gedrückt. Nach einer Weile registrieren die Temperaturfühler (5) eine Absenkung der Temperatur unter den festgesetzten Schwellwert und stoppen den Motor (4b) des Antriebssystems. Die nun dickere Wasserschicht (1a) erwärmt sich von neuem auf die gewünschte Temperatur, was wiederum automatisch das Antriebssystem in Gang setzt.

Auf die beschriebene Weise entsteht eine in Funktion der gewünschten Temperatur und der Solareinstellung stetig dicker werdende Heißwasserschicht (7). In Fig. 2 ist dargestellt, wie während der Nacht die Absorberplatte (3) unmittelbar unter der transparenten Abdeckung (1) positioniert wird, und die Heißwasserschicht nunmehr unterhalb der wärmeisolierenden Absorberplatte befindet und somit die nächtlichen Auskühlungsverluste minimiert werden.

Die Logik der Ansteuerung dieser Nachtfunktion wird über einen Belichtungsmesser (7) und den Motor (4b) bewerkstelligt.

Erfindungsgemäß erzeugt also die beschriebene Anordnung eine kontinuierlich wachsende Heißwasserschicht konstanter Temperatur ("isotherm"), ohne dass dabei, wie bei vorbekannten Systemen, eine aufwendige, verwirbelungsfreie Umpumpung des Wassers erfolgen muss.

In Fig. 3 wird dargestellt, dass das Antriebssystem für die Absorberplatte (3) alternativ zur beschriebene Seil/Rolle/Motor Anordnung durch ein aktiv durch Luft ein- und abpumpen sich in der vertikalen bewegendes Holzplattensystem besteht.

Dabei stellt (8) ein Hohlkammerplattensystem mit Durchgangslöchern (8a) dar. Das Holzkammerplattensystem ist durch zusätzliche Gewichte (9) so belastet, dass es bei halber Luftfüllung gerade im Wasser schwebt. Durch das Absaugen oder Zuführen von Luft über die Leitung (10a) über das als Sog- oder Druckgebläse umschaltbare Aggregat (10b) kann die Absorberplatte entweder sinken oder steigen (11). Die Befehle zur Aktivierung des Systems (10a, 10b) werden dabei in analoger Weise zum System (5; 4b) aus Fig. 1 gegeben.

Im Gegensatz zu dem vorgängig beschriebenen System (DE 37 28 551 A1) kann der erfindungsgemäße Sammel- und Speichersee bei hohem Wellengang und Sturm durch Abtauchen in eine ruhige Wasserschicht geschützt werden. In Fig. 4 wird dieser Vorgang schematisch beschrieben. Bei hohem Wellengang (12) wird mittels der Saug- und Pumpvorrichtung (11) den transparenten Abdeckkissen (1) soviel Luft entzogen, dass die gesamte Sammel- und Speichereinrichtung in eine ruhige Wasserschicht absinkt. Nach Ende des Unwetters wird die gesamte Anordnung durch neuerliches Einpumpen von Luft in das Kissen an die Oberfläche transportiert.

Der hier beschriebene Vorgang erlaubt es, die erfindungsgemäße Anordnung auch auf dem Meer zu installieren. Dies ist besonders wünschenswert in Verbindung mit thermischen Meerwasserentsalzungsanlagen die zentral auf schwimmenden Flößen installiert sind und rund um die erfindungsgemäß schwimmenden Sammel- und Speicherseen angeordnet sind. Dabei liefern letztere die nötige thermische Energie zur Entsalzung, während auf dem zentralen Floß sämtliche nötigen Subsysteme wie Pumpen, Gebläse, Rohrleitungen und Regelungen untergebracht sind.

Von besonderer Bedeutung ist der Modus der Heißwasserentnahme und Reinjektion des nach Wärmeentzug abgekühlten Wassers in den erfindungsgemäßen Sonnenenergie Sammel- und Speichersee. In Fig. 5 ist die entsprechende thermische Anordnung prinzipiell dargestellt. Dabei stellen (1) und (3) die bereits beschriebene transparente, schwimmende Abdeckung bzw. die Absorberplatte dar. Am äußeren Rand der schwimmenden Abdeckung ist eine rundumlaufende Schürze aus einer Doppelfolie (13) angebracht, die über die Gewichte (13b) senkrecht nach unten gezogen wird. Die äußere Schürzenfolie ist mit einer thermischen Isolation (13a) versehen. Unmittelbar unterhalb der schwimmenden Abdeckung ist in den oberen Rand der Doppelschürze ein Wassersammelrohr (14a) installiert, aus welchem mittels konzentrischer Ansaugrohre (14) das heiße Wasser durch das wärmeisolierte Zentralrohr (15) über die Abführleitung (14b) dem Wärmeverbraucher zugeführt wird. Das nach der Wärmeabgabe abgekühlte Wasser wird mittels der Rückführleitung (16) in den unteren Teil des Zentralrohres (15) zugeführt und von dort über konzentrische Verteilerleitungen (17) in die umlaufende Doppelschürze (13) geleitet. Im Inneren der Doppelschürze steigt das Wasser hoch. Die innere Doppelschürze ist hierbei wie in (18; 18a; 18b) angedeutet mit in verschiedenen Höhenzonen längs des Umfanges verlaufenden Öffnungen versehen. Das durch (16) und (17) reinjizierte Wasser einer bestimmten Temperatur steigt daher im Schürzenspalt so hoch, bis die Temperatur der ihm gegenüberliegenden Wasserschicht des Speichers etwas geringer ist. Dann tritt das Wasser aufgrund seines Auftriebs automatisch durch die korrespondierenden Öffnungen (18; 18a; 18b usw.) aus.

Aus technischen und ökonomischen Gründen eignet sich für die beschriebene Anordnung insbesondere eine rotationssymmetrische Bauweise.

Das erfindungsgemäße Grundprinzip kann durch einen künstlich geschaffenen See realisiert werden. Die Funktion der seitlichen Schürzen kann hierbei durch die festen wärmeisolierten Seitenwände dieses Sees übernommen werden. Die Funktion der Löcher in der Absorberfläche kann dadurch ersetzt werden, daß der Durchmesser der Platte etwas geringer als der der oberen, transparenten Abdeckung gewählt wird, und sich unterhalb der transparenten Abdeckung, längs deren Umfanges, ein wärmeisolierter Rand befindet, an dem die Absorberplatte in ihrer obersten Stellung anliegt.

Claims (12)

1. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee:
umfassend eine schwimmende, transparente Abdeckung, eine längs des Umfangs befestigte, vertikal ins Wasser tauchende Schürze, eine unterhalb der Abdeckung im Wasser schwebende, großflächige Absorberplatte, einen Bewegungsmechanismus zur vertikalen Bewegung dieser Platte nach unten oder oben, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die transparente Abdeckung dringende Strahlung auf der schwarzen Oberseite der Platte in Wärme gewandelt wird, die direkt an die vorerst dünne Wasserschicht zwischen Abdeckung und Absorberplatte abgegeben wird, und dadurch kennzeichnet, dass durch die langsame Bewegung der Absorberplatte nach unten das Speichervolumen des auf konstanter Temperatur erzeugten Wassers kontinuierlich vergrößert wird.

2. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass die großflächige Absorberfläche an ihrer Oberseite schwarz ist, aus wärmedämmendem Wasser- und wärmefestem Material besteht, mit Zusatzgewichten derart beschwert ist, dass nur ein minimaler Restauftrieb besteht und in regelmäßigen Abständen mit Löchern versehen ist, so dass bei der langsamen auf und ab Bewegung der Platte turbulenzfrei entweder warmes Wasser von oberhalb der Platte in das unterhalb der Platte sich befindliche kühlere Wasser strömt oder umgekehrt.

3. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass sich in geringem Abstand oberhalb der Absorberplatte ein oder mehrere thermische Sensoren befinden, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach Erreichen einer einstellbaren Temperatur dem Bewegungsmechanismus die Order geben, die Platte langsam nach unten zu bewegen, wodurch sich das Volumen des oberhalb der Platte gespeicherten heißen Wassers bei konstanter Temperatur vergrößert und jeweils nach Unterschreitung der Schwellwerttemperatur der Bewegungsmechanismus gestoppt wird, und sich derselbe Mechanismus im Verlauf des Sonnentages mehrfach (stufenweise) wiederholt.

4. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsmechanismus aus einem Seil/Rollenmotor-Mechanismus besteht und der Gleichstrommotor im direkten Antrieb von einem Photovoltaikmodul angetrieben wird.

5. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsmechanismus der Absorberplatte durch gezieltes Füllen und Leerpumpen von Luftauftriebskörpern bewerkstelligt wird.

6. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung des Sonnentages der Bewegungsmechanismus die gut wärmegedämmte Platte aufgrund ihrer Antriebskraft nach oben bewegt, bis sie sich unmittelbar unterhalb der schwimmenden Abdeckung befindet, und somit das Heißwasservolumen gegen nächtliche Auskühlung schützt.

7. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass, nach Anspruch 1-6, die längs des Umfangs der schwimmenden Abdeckung vertikal ins Wasser tauchende Schürze an ihrer unteren Peripherie mit Gewichten belastet wird, so dass ein im Wasser schwimmender, unten offener Speicher mit vertikalen Wänden entsteht.

8. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass die Schürze aus einer zur Außenseite hin isolierten Doppelfolienwand besteht, und dadurch gekennzeichnet, dass längs des oberen und unteren Umfangs Rohrleitungssysteme zum Entzug des heißen Wassersund zur Reinjektion des abgekühlten Wassers integriert sind.

9. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die untere Rohrleitung in die Doppelwand reinjizierte kühlere Wasser innerhalb der Doppelwand auf eine Höhe steigt, die bei der die Wasserspeichertemperatur etwas geringer als die Temperatur des injizierten Wassers ist, so dass sich dieses über entsprechende Löcher in der Innenwand der Doppelhülle über Gravitation in die richtige Speicherschicht einlagert.

10. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmende transparente Abdeckung aus mindestens zwei transparenten Folien, die längs ihres gemeinsamen Randes durch Schweißung, Klebung und/oder mechanische Klemmung luftdicht miteinander verbunden sind, besteht, und das die einzelnen Folienbahnen an definierten Orten so miteinander verbunden sind, dass durch Einblasen von Luft ein flaches, wärmedämmendes, transparentes Kissen entsteht.

11. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der thermischen Isolationswirkung ins Innere des Kissens geeignete, transparente Wärmedämmmaterialien eingebracht werden.

12. Sonnenenergie Sammel- und Speichersee, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines hohen Wellenganges mittels eines Ansauggebläses die Luft aus dem Kissen entfernt wird, so dass es gezielt in eine ruhige Wasserschicht absinkt, und nach Beendigung der Schlechtwetterlage durch Umkehrung des Ansauggebläses in ein Druckgebläse wieder luftgefüllt an die Oberfläche steigt.