DE102008039191A1

DE102008039191A1 - Verfahren und Vorrichtung einer Absorptionskühlung für Photovoltaikflächen mit nachrangiger Nutzung und Umwandlung der abgeführten Wärme in elektrische Energie mittels eines an der Kaltseite gekühlten Stirlingmotorgenerators

Info

Publication number: DE102008039191A1
Application number: DE102008039191A
Authority: DE
Inventors: Carsten Mißler; Hans-Dieter Missler
Original assignee: PROCON VERMOEGENSVERWALTUNGS U; Procon Vermogensverwaltungs- und Beteiligungsgesellschaft Mbh
Current assignee: PROCON VERMOEGENSVERWALTUNGS U; Procon Vermogensverwaltungs- und Beteiligungsgesellschaft Mbh
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-06-02

Abstract

Erfindung zur effizienten Solar-Energiegewinnung und deren Umwandlung durch ein Verfahren mittels Kühlung von Photovoltaik-Solaranlagen sowie zusätzlicher Energiegewinnung aus nachgesetzter erzeugter Solarwärme mittels eines Absorptionskältesystems über deren Fluid-Kältegas mittels Aggregatzustandswechsel ein auf der Warmseite mit Solarwärme geheizten sowie auf der Kaltseite aktiv gekühlten Stirlingmotor-Elektrogenerator Strom erzeugt wird mit nachgenutzter Restwärme für Brauchwasser und Heizungsunterstützung. Die zusätzliche Nutzung der Wärmeenergie durch aktive Kühlung in Photovoltaikanlagen und nachträgliches Aufheizen durch nacheinander gesetzte Hitepipe-Vakuumröhren (7), lässt sich über einen Kondensator-Wärmetauscher (8) ein des Stirnlingmotor-Generator (9) antreiben. Die Kaltseite des Stirlingmotor-Generator wird durch Zuführung des Kältegases in einen Verdampfer (12) aktiv gekühlt und damit die Effizienz zur Gewinnung von elektrischer Energie gesteigert. Zusätzlich wird die Restwärme bis zur Kondensation des Kältemittels zur Warmwassererzeugung und Heizungsunterstützung genutzt.

Description

Erfindung zur effizienten Solar-Energiegewinnung und deren Umwandlung durch ein Verfahren mittels Kühlung von Photovoltaik-Solaranlagen sowie zusätzlicher Energiegewinnung aus nachgesetzter erzeugter Solarwärme mittels eines Absorptionskältesystems über deren Fluid-Kältegas- mittels Aggregatzustandswechsel ein auf der Warmseite mit Solarwärme geheizten sowie auf der Kaltseite aktiv gekühlten Stirlingmotor-Elektrogenerator Strom erzeugt wird, mit nachgenutzter Restwärme für Brauchwasser und Heizungsunterstützung.
Die Erfindung betrifft ein, aus mindestens einem oder mehreren Flächenartigen einseitig gerippten Verdampferteil Well-Trapezblech (1), der auf der Unterseite Wärmegedämmt (2) ist und auf der Oberseite mit einem Metallblech auf welchem eine Photovoltaikbeschichtung (3) aufgebracht ist, bestückt ist. Über der Photovoltaikbeschichtung ist in einem bestimmten Abstand zur Solarfläche, eine gasdicht eingebetete Solar-Glasabdeckung (4) vorgesehen.
Die Anlage kann mit verschiedenen transparenten Kältegasen betrieben werden.
Die weitere Anordnung zeigt eine wärmegedämmte Rückführungsleitung (6) welche in der unteren Dämmung verläuft aber auch separat geführt werden kann. Die Rückführungsleitung endet am tiefsten Punkt der Solarflächen in eine bis zum oberen Ende der Anlage reichende Hitepipe Thermosolar-Vakuumröhrenleitung (7) welche das gasförmige Fluid aufheizt und Puffert. Am höchsten Ende der Solarflächen wird diese Leitung über eine Sammelleitung an einen Wärmetauscher-(8)Kondensator geführt, der die Warmseite eines Stirlingmotor-Generator (9) zur Stromerzeugung aufheizt, dargestellt.
Zur Nachkühlung ist ein Wärmetauscher-Kondensator (10) vorgesehen, der das Kältefluid weiter abkühlt – vertlüssigt und zusätzlich über einen getrennten Kreislauf (14) einen Brauchwasserspeicher (11) erwärmt,.
Die Kaltseite des Stirlingmotors (9) wird mit einem Verdampfer Wärmetauscher (15) für die Vorerwärmung des Kältemediums und Effizienzsteigerung des Stirlingmotors geschaltet.
Eine weiterführende Kalt-Leitung (13) ist an den Flächenverdampfer der Photovoltaikanlage angeschlossen um diese zu kühlen.
Der Kalte-Kreislauf ist damit geschlossen.
Das Kühlsystem stellt das allgemein bekannte Absorbersystem, betrieben als Schwerkraftanlage ohne Umwälzpumpen oder Kältekompressoren, dar.
Prozessablauf:
Die einstrahlende Sonnenenergie wird die absorbierenden Photovoltaikfläche erwärmen. Da die verschiedenen Kristallinen-, Amorphen-, und Nano-Photovoltaikflächen bei Temperaturen über 30°C die Leistungsabgabe verringern (Effizienzverlust) ist eine Kühlung der Photovoltaikflächen unumgänglich.
Die Kühlung wird durch eine Absorptions-Kältesystem mit verschiedenen Kältegasen erreicht. Die Abwärme wird über einen Stirlingmotor Generator (9) in elektrische Energie umgewandelt.
Das Fluid-Kältegas wird durch einspritzen in einen Vorverdampfer (12), der an der Kaltseite des Stirlingmotors (9) angesetzt ist geführt. Das schon vorentspannte Kaltgas wird durch eine wärmegedämmte Leitung (13) zum Flächenverdampfer unterhalb der Photovoltaikflächen (1) (geripptes oder gewellte Fläche) von oben und auch zusätzlich von der Seite eingeleitet. Das Kältegas kühlt durch herabfallen die Photovoltaikfläche (3). Eine Vakuumschicht (18) (3 und 4) zwischen der oberen Glasabdeckung und der Photovoltaikfläche soll die Abkühlung an die Atmosphäre verhindern. Alternativ kann am unteren Ende der Photovoltaikfläche das Kältegas zwischen die Oberseite der Photovoltaikflächen (5) (1 und 2) und der Solarglasabdeckung (4) umgeleitet und durch Aufsteigen zur Höchsten Stelle durch die wärmeabsorbierende Wirkung der Photovoltaikflächen (3) weiter erwärmt. Um eine brauchbare Temperatur und Energiemenge, zur Betreibung des Stirlingmotors zu erreichen wird zur weiteren Erwärmung und Aufpufferung das Kältegas am unteren Ende der Photovoltaikfläche durch wärmeisolierte Rohre in die Hitepipe Thermosolarrohre (7) geleitet. Das angewärmte Fluid-Kältemedium (Gasförmig) wird dann durch die Sonneneinstrahlung auf die Hitepipe Vakuumröhren (7) (wieder ansteigend) weiter aufgewärmt (Heißgas) und zum Kondensator (8) (Wärmetauscher) geleitet. Durch die Abkühlung und nachfolgende Verflüssigung wird der Absorptionskreislauf in Gang gehalten. Das an die Warmseite geleitete Heißgas – Wärmeenergie – treibt den Stirlingmotor-Stromgenerator (9) an und erzeugt elektrische Energie. Das jetzt schon abgekühlte und teilweise verflüssigte Kältemedium wird weiter durch einen zweiten Wärmetauscher Nachkühler-Kondensator- (10) zur Warmwasseraufbereitung, mit einem gesonderten Kreislauf (14) zu einem Brauchwasserpufferspeicher (11), geleitet. Über den Wärmetauscher und die Brauchwasserleitungen (15) kann das angewärmte Wasser auch zur Heizungsunterstützung genutzt werden Das abgekühlte kondensierte Fluide Kältemedium wird zur Effizienzsteigerung des Stirlingmotor-Stromgenerators (9) in einen vorgeschalteten Verdampfer (12) zur Abkühlung der Kaltseite des Stirlingmotors eingespritzt und danach in den Verdampferteil der Photovoltaikanlage über die Wärmeisolierten Leitungen (13) eingeleitet.
Der Kreislauf ist damit geschlossen.
Die Anlage kann mit verschiedenen transparenten Kältegasen betrieben werden.
Die Vorteile der Erfindung
Im Bezug zu herkömmlichen Thermosolar- und Photovoltaikanlagen ist als Vorteil

a) der doppelte Nutzen der verbrauchten Flächen bei der Umwandlung der Sonnenenergie in Strom und Wärme Hybridsystem)
b) der geräuscharme Betrieb
c) Nutzung der erzeugten Wärme durch Umwandlung in elektrischen Strom und Brauchwasser sowie Heizungsunterstützung
d) Erhöhung der erzeugten Strommenge im Jahresmittel durch Kühlung bei der Erzeugung durch Photovoltaikflächen.
e) Statt der bisherigen Ausnutzung der Sonnenenergie zwischen 5 bis 11% kann mit der hier beschriebenen Erfindung >30% der eingestrahlten Sonnenenergie genutzt werden
f) die erzeugte Wärme kann mit der vorliegenden Erfindung auch in warmen Jahreszeiten bzw. in Warmgebieten der Erde fast vollständig in elektrische Energie effizient umgewandelt werden.

Folgende Konstruktionszeichnungen sind nachstehend beschrieben:
1 Schema der Wärmenutzung und Anordnung der Teilkomponenten in der Seitenansicht
2 Schema der Wärmenutzung und Anordnung der Teilkomponenten in der Vorderansicht.
3 Schema der Wärmenutzung und Anordnung der Teilkomponenten in der Seitenansicht mit Vakuumteil.
4 Schema der Wärmenutzung und Anordnung der Teilkomponenten in der Vorderansicht mit Vakuumteil.
Die Zeichnungen sind durchweg Schematisch zu verstehen.
Die Erfindung und das Prinzip wird in 1 und 2 als Prozessablaufschema sowie die Lage der Teilkomponenten und alternativ mit Vakuumeinheit 3 und 4 gezeigt.

Claims

Hybrides Photovoltaik- und Wärmeumwandlungssystem-Anlage welche die eingestellte Sonnenenergie in mechanische bzw. elektrische Energie mittels eines Stirlingmotor-Generators effektiv umwandelt und gleichzeitig Brauchwasser erwärmt.
Aktive bzw. passive Kühlung von Photovoltaikflächenanlagen zur Effizienzsteigerung bei der Stromerzeugung, gekennzeichnet durch die Nutzung der Erfindung zugrundeliegenden Anordnung eines direkt auf die Solarfläche beaufschlagten Kühl-Absorptions- bzw. aktivem Kompressionskältesystems.
Photovoltaik- und Wärmeumwandlungsanlage nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Nutzung von Solarwärme bzw. Abwärme mittels einer Stirlingmotor-Generatoranlage, welche durch gleichzeitiger aktiver bzw. passiver Erwärmung des Warmteils und zusätzlicher Kühlung des Kaltteils des Stirlingmotorgenerators elektrische Energie erzeugt wird.
Photovoltaik- und Wärmeumwandlungsanlage nach Anspruch 1 gekennzeichnet, dass die elektrisch Energie durch einen oder mehrere Vielpol-Generatoren bzw. Ringgeneratoren erzeugt werden.
Photovoltaik- und Wärmeumwandlungsanlage nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Nutzung verschieden geformter wärmegedämmter Verdampferanlagen zur Aufnahme von verschiedenen Photovoltaikflächen in gerippter oder gewellter Form.
Photovoltaik- und Wärmeumwandlungsanlage nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Nutzung von Transparenten Abdeckungen welche Gasdicht auf der Oberseite der photovoltaikflächenbeschichteten Verdampferflächen aufgebracht ist.
Photovoltaik- und Wärmeumwandlungsanlage nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Nutzung von Vakuum Glasröhren mit innenliegenden gastragenden Gasdichten Röhren welche hintereinander in verschiedene Langen montiert werden können. und als Nachheizer dienen.
Photovoltaik- und Wärmeumwandlungsanlage in elektrische Energie nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Nutzung eines Wärmetauschers als aktiv/passiv gekühlten Kaltteil eines Stirlingmotor-Generators.
Photovoltaik- und Wärmeumwandlungsanlage in elektrische Energie nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet das der Hohlraum zwischen der oberen Glasabdeckung und der Photovoltaikfläche unter Vakuumraum steht. 3 und 4