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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung dabei eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 10 2007 062 378 A1 bekannt, welche die Nutzung der Abwärme, die bei photovoltaischen Anlagen entsteht, zur Verdampfung einer organischen Flüssigkeit in einer Niedertemperatur-ORC(Organic Rancine Cycle)-Anlage beschreibt.
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Das Hauptproblem dieser Anlage besteht darin, die zur Kondensation des Arbeitsmittels notwendigen Temperatursenken zur Verfügung zu stellen Dies gestaltet sich insbesondere wenn diese Systeme in Heißgebieten, wie beispielsweise Wüsten, zum Einsatz kommen schwierig. Ein weiteres Problem besteht in den sehr wartungsintensiven, teuren und wenig effizienten Turbine/Generator-Kombinationen wie auch dem Wärmeverlust auf der Rückseite, d. h. der der Bestrahlung abgewandten Seite dieser Systeme.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie der eingangs genannten Art wartungsfreundlicher, kostengünstiger und effektiver zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, auf die üblicherweise verwendete Turbine/Generator-Kombination zu verzichten und stattdessen die bei der Entspannung des Arbeitsmittels auftretende Volumenanderungsarbeit direkt und unmittelbar, d. h. ohne Übersetzung, zur Bewegung des Läufers des Generators auf diesen aufzubringen, so dass die Umwandlung in mechanische Arbeit und elektrische Energie gleichzeitig und ohne Übertragungsverluste stattfindet. Dies wird erfindungsgemaß bevorzugt durch die Verwendung eines Linear- oder Ringgenerators erzielt. Ein weiterer, auch allein stehend umsetzbarer Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, sich, beim Einsatz dieser Vorrichtung in Heißgebieten, insbesondere Wüsten, des natürlichen Phänomens, dass die Temperatur im Wüstenboden relativ schnell abfällt als Temperatursenke und damit zur Kondensation des Arbeitsmittels zu bedienen. Schließlich und wiederum separat oder in Kombination mit einem oder beiden obigen Grundgedanken, ist angedacht eine Wärmedämmung, auf der der Strahlungsseite abgewandten Seite der Einheit aus Strahlungswärme aufnehmendem Element und Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmittels vorzusehen, die vorzugsweise zur Vermeidung von Wärmeleitung (Konduktion) durch ein Vakuum gebildet wird.
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Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie gemäß einem ersten Aspekt folglich einen Strahlungswärmekollektor mit einer ersten zu bestrahlenden Seiten und einer der zu bestrahlenden Seite abgewandten zweiten Seite. Unter einem Strahlungswärmekollektor ist diesbezüglich eine beliebige Einrichtung zu verstehen, die in der Lage ist, von einer Wärmequelle abgestrahlte Strahlungswärme aufzunehmen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich dabei um ein Solarmodul und insbesondere ein Photovoltaikmodul oder einen Sonnenkollektor. Mit anderen Worten ist die Wärmequelle bevorzugt die Sonne, deren Strahlen durch den Kollektor gesammelt werden. Insbesondere bei Photovoltaikmodulen oder Solarmodulen kommt hierbei der zusätzliche Vorteil zum Tragen, dass die Photovoltaikmodule durch Abtransport der Wärme gekühlt werden, und damit effektiver arbeiten. Ferner ist erfindungsgemäß auf der zweiten Seite ein Verdampfer zum Verdampfen einer organischen Flüssigkeit als Arbeitsmittel, vorzugsweise mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur, vorgesehen. Als organische Flüssigkeit können die im Folgenden, jedoch nicht abschließend aufgelisteten organischen Flüssigkeiten zum Einsatz kommen:
| Medium | Mol-masse | Kritischer Punkt | Siedetemperatur (latm) | Verdampungswärme (latm) |
| NH3 | 17 | 405,3 K | 11,33 MPa | 239,7 K | 1347 kJ/kg |
| Wasser | 18 | 647,0 K | 22,06 MPa | 373,0 K | 2256 kJ/kg |
| n-Butan C4H10 | 58,1 | 425,2 K | 3,80 MPa | 272,6 K | 383,8 kJ/kg |
| n-Pentan C5H12 | 72,2 | 469,8 K | 3,3 MPa | 309,2 K | 357,2 kJ/kg |
| C6H6 | 78,14 | 562,2 K | 4,90 MPa | 353,0 K | 438,7 kJ/kg |
| C7H8 | 92,1 | 591,8 K | 4,10 MPa | 383,6 K | 362,5 kJ/kg |
| R134a (HFC-134a) | 102 | 374,2 K | 4,06 MPa | 248,0 K | 215,5 kJ/kg |
| C8H10 | 106,1 | 616,2 K | 3,50 MPa | 411,0 K | 339,9 kJ/kg |
| R12 | 121 | 385,0 K | 4,13 MPa | 243,2 K | 166,1 kJ/kg |
| HFC-245fa | 134,1 | 430,7 K | 3,64 MPa | 288,4 K | 208,5 kJ/kg |
| HFC-245ca | 134,1 | 451,6 K | 3,86 MPa | 298,2 K | 217,8 kJ/kg |
| R11 (CFC-11) | 137 | 471,0 K | 4,41 MPa | 296,2 K | 178,8 kJ/kg |
| HFE-245fa | 150 | 444,0 K | 3,73 MPa | | |
| HFC-236fa | 152 | 403,8 k | 3,18 MPa | 272,0 K | 168,8 kJ/kg |
| R123 | 152,9 | 456,9 K | 3,70 MPa | 301,0 K | 171,5 kJ/kg |
| CFC-114 | 170,9 | 418,9 K | 3,26 MPa | 276,7 K | 136,2 kJ/kg |
| R113 | 187 | 487,3 K | 3,41 MPa | 320,4 K | 143,9 kJ/kg |
| n-Perfluor o-Pentan C5F12 | 288 | 420,6 K | 2,05 MPa | 302,4 K | 87,8 J/kg |
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Dabei ist es bevorzugt, dass die Verdampfungstemperatur der gewählten Flüssigkeit möglichst niedrig liegt, um auch bei geringen Temperaturen eine zuverlässige und vollständige Verdampfung des Arbeitsmittels zu gewährleisten. Hier kann ein entsprechend des beabsichtigten Einsatzgebiets gewähltes und hinsichtlich Kosten und Wartungsintensität optimiertes Medium gewahlt werde. Schließlich ist ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem Ständer, dem fest stehenden Teil des Generators, und einem Laufer, dem sich bewegenden Teil des Generators, vorgesehen.
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Die vorliegende Erfindung gemäß dem ersten Aspekt kennzeichnet sich insbesondere dadurch, dass der Generator in Fluidverbindung mit dem Arbeitsmittel steht, d. h. innerhalb des Kreislaufes des Arbeitsmittels angeordnet ist und von dem Arbeitsmittel durchströmt wird. Dabei ist der Kreislauf ein geschlossener Kreislauf, mit vorzugsweise dem Verdampfer, dem Generator, einer Arbeitsmittelpumpe und einem Kondensator. Ferner kann zusätzlich ein Regenerator vorgesehen sein, in dem ein Wärmetausch zwischen dem dampfförmigen Arbeitsmittel und dem vom Kondensator kommenden flüssigen Arbeitsmittelstrom stattfindet. Vorliegend wird der Generator mit dem dampfförmigen Arbeitsmittel beaufschlagt, wobei eine Entspannung des Arbeitsmittels im Generator erfolgt Dabei ist der Generator so gestaltet, dass die beider Entspannung des Arbeitsmittels auftretende Volumenänderungsarbeit unmittelbar auf den Läufer wirkt, d. h. die Volumenänderungsarbeit direkt und ohne zwischengeschaltete Elemente in eine mechanische Arbeit (Bewegung) des Laufers umgewandelt wird. Dadurch kann auf etwaige zwischengeschaltete Elemente, die den Generator beispielsweise mit der Turbine des Standes der Technik verbindet, verzichtet werden. So können z. B. wartungsanfällige Getriebe entfallen. Des Weiteren werden dadurch Reibungsverluste und Dissipationsverluste reduziert, was zu einem effektiveren System führt. Darüber hinaus kann auf die kostenintensive und wartungsintensive Turbine verzichtet werden, so dass eine Vorrichtung geschaffen wird, die im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstiger, wartungsärmer und effizienter arbeiten kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der auch separat von dem obigen ersten Aspekt umgesetzt werden kann, ist der Verdampfer auf seiner der zweiten Seite des Strahlungswärmekollektors abgewandten Seite wärmegedämmt.
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Dies führt dazu, dass im Wesentlichen die gesamte von dem Strahlungswärmekollektor abgegebene Wärme im Verdampfer genutzt werden kann, wodurch Wirkungsgrad und Effizienz weiter verbessert werden, indem die hohen Abstrahlverluste hinter dem Kollektor reduziert werden.
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Um insbesondere einen Abwärmeverlust durch Wärmeleitung über die Rückseite zu verhindern ist es bevorzugt, die Wärmedämmung durch ein Vakuum bzw. eine Vakuumschicht zu bilden, so dass der Verdampfer zwischen dem Strahlungswärmekollektor und der Vakuumschicht angeordnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kommt als Generator ein Lineargenerator zum Einsatz. Lineargeneratoren sind im Stand der Technik im Prinzip bekannt. Bei einem Lineargenerator handelt es sich dabei um einen Generator, der eine an einer geraden Linie, nicht an einer Drehachse, anfallende Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Zu diesem Zweck weist der Lineargenerator einen Ständer, den fest stehenden, nicht beweglichen Teil des Generators, und einen Läufer bzw. Rotor, den linear beweglichen Teil des Generators, auf. Dabei umgibt der Ständer den Läufer zumindest teilweise und kann sich aus mehreren einzelnen Wicklungsabschnitten zusammensetzen. Daher ist der Ständer in der Regel und vorzugsweise zylindrisch ausgestaltet und kann kreisrunde oder mehreckige Querschnittsformen annehmen. Der linearverschiebbare Läufer ist in der Regel im Querschnitt an die Innenquerschnittsform des Ständers angepasst. Gemäß der Erfindung ist eine erste Kammer auf einer Seite und eine zweite Kammer auf der anderen Seite des Läufers ausgebildet, der zugleich als Kolben fungiert. Um das verdampfte Arbeitsmittel direkt auf den Läuferkolben aufzubringen werden die erste und zweite Kammer abwechselnd mit dem Verdampfer in Fluidverbindung gebracht, d. h. die Kammern werden abwechselnd mit Dampf beaufschlagt, wobei sich der Kolben entsprechend verschiebt und eine Entspannung mit der einhergehenden Volumenänderung erfolgt.
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Alternativ ist es auch denkbar als Generator einen Ringgenerator zu verwenden, der Turbinenschaufeln aufweist, welche einen umlaufenden Läuferring umfassen und von einem den Stander enthaltenden Gehäuse umgeben sind. Hier durchströmt das Arbeitsmittel die Turbinenschaufeln von einer Seite zur anderen, vergleichbar mit einer Turbine, wodurch die Turbinenschaufeln und der damit verbundene Läuferring rotiert werden und in dem Ständer eine Spannung induziert wird.
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Gemäß einem dritten Aspekt der in Kombination mit dem ersten und/oder dem zweiten Aspekt oder separat hiervon umgesetzt werden kann, umfasst die Vorrichtung ferner einen von dem Arbeitsmittel durchströmbaren Kondensator, der dem Generator nachgeschaltet angeordnet ist. Dabei nutzt der Kondensator vorzugsweise die unter der Erde herrschende Temperatur als Temperatursenke. Die vom Generator kommenden Rohrleitungen Können zu diesem Zweck durch den Boden verlaufen, um das Arbeitsmittel zu kondensieren.
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Alternative verlaufen sie bevorzugt jedoch durch einen Fluidbehälter, der unterirdisch angeordnet ist. Dabei ist in dem Fluidbehalter vorzugsweise ein Fluid aufgenommen, das auf einer im Wesentlichen konstant kalten Temperatur gehalten wird. Als Fluid kommt beispielsweise Wasser in Frage. Darüber hinaus wird der Fluidbehalter idealerweise mit einer großen äußeren Oberflächefläche ausgestaltet, um eine gute Wärmeübertragung in den Umgebungsbereich (Boden) zu gewährleisten, wodurch eine kontrollierte und gleichmäßige Kondensation des Arbeitsmittels auf einfachste Art und Weise und kostengünstig ermöglicht wird, was insbesondere auch den Einsatz in Heißgebieten ermöglicht.
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Bei dieser Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, in dem Fluidbehälter eine Kammer vorzusehen, die fluiddicht gegenüber dem im Behälter enthaltenen Fluid ist und kein Fluid enthält. In dieser Kammer können die technischen Gerätschaften, zumindest aber der Generator, leicht zugänglich aufgenommen werden. Dadurch ist das technische Gerät, und insbesondere der Generator, unter Boden und somit vor Hitze und anderen Einwirkungen geschützt.
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Schließlich kann es sich insbesondere beim Einsatz in Wustengebieten als vorteilhaft erweisen ein in der Höhe variables Trägersystem vorzusehen, welches die Einheit aus Strahlungswärmekollektor und Verdampfer derart trägt, dass die Einheit in zumindest einer Vertikalrichtung, d. h. in der Höhe, verfahrbar ist. Zusatzlich kann auch eine Drehung mit der Sonne erfolgen. Beides kann über ein hydraulisches, pneumatisches oder motorgetriebenes System oder andere Systeme erfolgen. Somit wird es bei Verwehungen und Wanderungen von Dünen möglich das System in eine neue Position zu bringen.
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Schließlich ist es bevorzugt die Oberfläche des Strahlungswärmekollektors nicht eben, d. h. planar, zu gestalten, sondern die Oberfläche zu vergroßern, um die Wärmeaufnahme zu vergrößern. D. h. die Oberfläche des Strahlungswärmekollektors auf der ersten Seite ist gegenüber der ihrer planaren Fläche, vorgegeben durch die Außendimension, d. h. verglichen mit einer Ebene mit dem gleichen Umriss der ersten Seite, vergrößert. Dies kann beispielsweise durch Ausgestalten der Oberfläche in Form eines Trapezprofils oder durch anders konturierte Oberflächen, beispielsweise ein Dreiecksprofil, etc., bewerkstelligt werden.
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Ferner ist, es um Abrieb durch Sand zu verhindern zu vermeiden, bevorzugt, die Oberfläche des Strahlungswärmekollektors auf der ersten Seite mit einem keramischen Werkstoff zu überziehen, der zur Vermeidung von Reflektionen vorzugsweise matt und schwarz ist.
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Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, Reflektoren vorzusehen, die die Strahlungswärme, die den Kollektor nicht unmittelbar trifft, auf den Verdampfer und/oder den Strahlungswärmekollektor reflektieren.
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Neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie, das die Schritte Verdampfen einer organischen Flüssigkeit als Arbeitsmittel durch Übertragung von Wärmestrahlung auf die Flüssigkeit umfasst. Dabei ist durch die Begrifflichkeit „Übertragung von Wärmestrahlung” gemeint, dass die Wärmequelle eine Wärmequelle ist, die die Warme abstrahlt. Es versteht sich, dass im vorliegenden Fall die Wärme vom Strahlungswärmekollektor auf den Verdampfer durch Wärmeleitung stattfindet, dennoch das Verdampfen durch Übertragung von Wärmestrahlung auf die Flüssigkeit erfolgt Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Beaufschlagen des Laufers eines Generators, d. h. des bewegten Teils des Generators mit dem verdampften Arbeitsmittel, wodurch die Volumenänderungsarbeit bei Entspannung des Arbeitsmittels unmittelbar auf den Läufer wirkt und diesen bewegt (siehe oben). Wie es oben beschrieben wurde kann dabei ein Lineargenerator oder ein Ringgenerator zum Einsatz kommen.
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Des Weiteren kann als separater Aspekt oder in Kombination, mit dem obigen Aspekt vorgesehen werden, das Arbeitsmittel dem Generator nachgeschaltet unterirdisch durch die unterirdisch herrschende Temperatur zu kondensieren Dabei wird das insbesondere in Heißgebieten und Wüsten vorherrschende Temperaturgefälle im Boden zur Kondensation des Arbeitsmittels genutzt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die allein stehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der obigen Merkmale umgesetzt werden können, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen, sind der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen zu entnehmen. Diese Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen
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1 einen schematischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
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2 einen schematischen Querschnitt eines Teils der Anlage aus 1 bei Verwendung eines Lineargenerators zeigt;
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3 einen schematischen Querschnitt eines Teils der Anlage aus 1 eines Ringgenerators zeigt;
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4 einen Querschritt durch die Einheit aus Strahlungswärmekollektor, Verdampfer und Wärmedammung zeigt; und
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5 einen Querschnitt durch die Einheit aus Strahlungswarmekollektor, Verdampfer und Wärmedämmung in einer alternativen Konfiguration zeigt.
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In den begleitenden Zeichnungen kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Elemente.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei kommt ein Sonnenkollektor 3 zum Einsatz, der eine erste Seite 3.1 aufweist, die im Gebrauch der Strahlung, d. h. der Sonne zugewandt ist. Die Strahlung ist entsprechend in den 1 und 4 durch die drei parallelen Pfeile S schematisch angedeutet. Der ersten Seite 3.1 abgewandt ist eine zweite Seite 3.2 (siehe 4) vorgesehen.
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Die Oberfläche der ersten Seite 3.1 ist vorzugsweise durch ein im Querschnitt in der 4 dargestelltes Trapezprofil 3.3 gebildet, so dass die Oberfläche im Vergleich zu einer lediglich planaren Erstreckung, wie sie durch die Strichpunktlinie 3.4 in 4 angedeutet ist, vergrößert ist, und damit mehr Strahlungswärme aufgenommen werden kann.
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Auf der zweiten Seite 3.2 des Sonnenkollektors 3 ist ein Verdampfer 40 (4) angeordnet, der bei einer beispielhaften Ausführungsform aus einer vorzugsweise schlangenförmig verlegten bzw. verlaufenden Rohrleitung 41 besteht, die das Arbeitsmittel führt. Ferner ist auf der der zweiten Seite 3.2 abgewandten Seite des Verdampfers 40 eine Wärmedämmung in Form einer Vakuumschicht 42 vorgesehen.
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Der Verdampfer 40 kann aus einem gut wärmeleitfähigen Material, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, gebildet sein, so dass die aufgenommene Wärme gut auf die die Rohrleitung 41 und das darin strömende Arbeitsmittel übertragen werde kann. Es sind jedoch auch beliebige andere Ausgestaltungen denkbar.
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Eine alternative Konfiguration ist zum Beispiel in 5 dargestellt. Dort wird der Verdampfer 40 in den Sonnenkollektor integriert, was zu einer noch besseren Wärmeübertragung auf das Arbeitsmittel führt. Hierbei ist der Sonnenkollektor 3 gleichfalls im Querschnitt trapezförmig ausgestaltet, so dass sich auf der äußeren Oberfläche 3.1 eine vergrößerte Oberfläche ergibt, wie es in Bezug auf 4 erläutert wurde. Anders als in 4 sind jedoch die der Außenseite 3.1 abgewandten Bereiche des Trapezprofils hohl und werden als Verdampfer 40 genutzt. Mit anderen Worten verlaufen die vorzugsweise schlangenförmig verlaufenden Kanäle 41 innerhalb des Trapezprofils des Sonnenkollektors, wobei jeweils parallel nebeneinander verlaufende Kanäle an einem ihrer Enden verbunden sind. Hierfür können die durch das Trapezprofil gebildeten Hohlräume, welche die Kanäle 41 bilden, durch eine dünne Platte 50 verschlossen sein, an die sich die Wärmedämmung 42 in Form einer Vakuumschicht anschließt. Diese Kanäle 41 führen das Arbeitsmittel, das damit unmittelbar entlang der Innenseite 3.2, d. h. der zweiten Seite des Sonnenkollektors 3, strömt, wodurch ein optimaler Wärmeübergang von der ersten Seite 3.1 zur zweiten Seite 3.2 auf das Arbeitsmittel erzielbar ist.
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Die in den 4 oder 5 dargestellte Einheit aus Sonnekollektor 3, Verdampfer 4 und Wärmedämmung 42 ist vorzugsweise auf einem Trägersystem 1 angeordnet, das über eine Stütze 4 in einer Neigung zur erwarteten Abstrahlung angeordnet ist. Es kann bevorzugt sein, die stabförmige Stutze 4 eines Endes verschieblich und anderen Endes drehbar zu lagern, um den Neigungswinkel entsprechend des Sonnenstands zu variieren. Darüber hinaus ist es bevorzugt die Einheit aus Sonnenkollektor 3, Verdampfer 40 und Warmedämmung 42 in der Höhe verschieblich auf dem Trägersystem 1 vorzusehen, wobei die Verschiebung motorisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen kann. Dadurch lässt sich die Einheit in der Höhe, d. h. zumindest mit einer Vertikalkomponente verschieben, um möglichen Verwehungen oder Wanderungen von Dünen in Wüsten entgegenzuwirken. Darüber hinaus ist das Trägersystem auf einer Bodenplatte 6 angeordnet, die ggf. rotatorisch bewegbar sein kann, um dem Sonnenstand zu folgen. Des Weiteren kann es bevorzugt sein auf der Bodenplatte 6 einen Reflektor 5 vorzusehen, der die Strahlung S, die nicht den Sonnenkollektor 3 trifft, auf diesen oder den Verdampfer zu reflektiert.
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Der Verdampfer 40 bzw. die Rohrleitung 41 weist einen Einlass 41.1 für flüssiges Arbeitsmittel und einen Äuslass 41.2 für verdampftes Arbeitsmittel auf. Bei einer Ausführungsform wurde als Arbeitsmittel Ethanal verwendet.
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Der Auslass 41.2 steht über eine Rohrleitung 43 mit dem Einlass 25 eines Generators 8 in Fluidverbindung. Ein Auslass 26 des Generators 8 wiederum steht über eine Rohrleitung 9 mit dem Einlass 11.1 eines Regenerators 11 in Verbindung. Das auf Kondensationstemperatur im Regenerator 11 abgekühlte Arbeitsmittel tritt über den Auslass 11.2 aus dem Regenerator aus. Dem Regenerator 11 nachgeschaltet ist ferner eine Arbeitsmittelpumpe 12 vorgesehen, die das Arbeitsmittel durch den beschriebenen Kreislauf fördert. Nach dem Verlassen der Pumpe 12 tritt das kondensierte Arbeitsmittel durch einen weiteren Einlass 11.3 des Generators zum Wärmetausch mit dem noch gasförmigen Arbeitsmittel in den Regenerator 11 ein, um vorgewärmt über den Auslass 11.4 aus dem Regenerator 11 auszutreten und über die Rohrleitung 13 und den Einlass 41.1 wiederum dem Verdampfer 41 zugefuhrt zu werden. Das Arbeitsmittel verlässt den Generator über den Auslass 26 und tritt in die Rohrleitung 9 ein, welche, wie der Generator 11 und die Arbeitsmittelpumpe 11, wie ein Teil der Rohrleitung 13 in einem Fluidbehälter 14 aufgenommen ist. Dieser Fluidbehälter 14 ist mit Wasser 10 gefüllt und ist unterirdisch, d. h. unter dem Boden 44 angeordnet. Innerhalb des Behälters 14 ist ferner eine Kammer 7 abgetrennt, die kein Wasser bzw. Fluid enthält und in der der Generator 8 angeordnet ist.
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Bei dem Generator 8 kann es sich gemäß einer ersten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, um einen Lineargenerator handeln.
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Der Lineargenerator umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Ständer 19, den feststehenden Teil des Generators, und einen Läufer 20, der innerhalb des Standers 19 entlang eines Linearwegs, wie er durch den Doppelpfeil S dargestellt ist, verschieblich ist. Eine Bewegung des Läufers 20 innerhalb des Ständers 19 induziert eine Spannung in den Wicklungen des Ständers 19 und dadurch elektrische Energie, wie es im Prinzip bekannt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Laufer 20 auf entgegen gesetzten Seiten mit je einem Kolben 21 versehen, der dicht gegen die Innenwandung des Lineargenerators 8 abdichtet. Auf entgegen gesetzten Seiten der Kolbenflächen 21, und damit des Läufers, sind eine erste Kammer 22 und eine zweite Kammer 23 gebildet. Die erste Kammer 22 und die zweite Kammer 23 sind jeweils über einen Einlass 25 mit der Rohrleitung 15 verbunden und stehen damit in Fluidverbindung mit dem Verdampfer 41. Zwischen dem Verdampfer 41 und dem Generator 8 ist ein Zweiwegeventil 18 zwischengeschaltet, über das abwechselnd der Verdampfer 41 mit der ersten 22 und der zweiten 23 Kammer in Fluidverbindung gebracht wird, so dass abwechselnd die erste 22 und die zweite 23 Kammer mit verdampften Arbeitsmittel beaufschlagt werden.
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Daruber hinaus weist jede Kammer 22 und 23 einen Auslass 26 auf, der jeweils über Rückschlagventile 24, alternative auch aktiv betätigbare Einwegeventile, mit der Rohrleitung 9 in Fluidverbindung steht.
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Alternativ ist es gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in 3 dargestellt ist, auch denkbar als Generator 8 einen Ringgenerator zu verwenden. Dieser weist eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 32 auf, die über einen ringförmigen Läufer 31 verbunden sind. In 3 sind fünf Turbinenstufen (es können jedoch auch nur eine Stufe oder mehr als fünf Stufen zum Einsatz kommen) dargestellt, wobei auf die Darstellung der feststehenden Turbinenschaufeln aus Klarheitsgründen verzichtet wurde. Des Weiteren wird durch das Gehäuse („Turbinengehäuse”) der Ständer 30, d. h. der feststehende Teil des Generators, gebildet. Bzw. das Gehäuse enthält den Ständer.
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In den umlaufenden Läuferring sind die Erregerwicklungen integriert. Die Ständerwicklung hingegen ist in das Gehäuse der Turbine integriert. Hierbei ist der Generator über einen Einlass 25 mit über die Leitung 15 mit dem Verdampfer 41 verbunden, d. h. er steht mit diesem in Fluidverbindung, so dass über den Einlass 25 verdampftes Arbeitsmittel dem Ringgenerator zugeführt wird, welches diesen über den Einlass 26 und die Rohrleitung 9 verlässt. Durch die Rotation der Turbinenschaufel 32 und damit verbunden des umlaufenden Läuferrings wird eine Spannung im Ständer 30 induziert und damit elektrische Energie erzeugt. Dabei sind die rotierbaren Turbinenschaufeln 32 auf einem Achse 33 angeordnet, die drehbar gelagert ist.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen, 1 bis 4, erläutert.
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Der Sonnenkollektor 3 sammelt die von der Sonne abgegebene Wärme S und gibt diese an den Verdampfer 40 durch Wärmeleitung ab, wodurch das im Verdampfer 40 strömende Arbeitsmittel verdampft. Ein Abwärmeverlust wird dabei durch die Vakuumschicht 42, auf der Rückseite, d. h. der der zweiten Seite 3.2 des Sonnenkollektors abgewandten Seite, vermindert. Das verdampfte Arbeitsmittel stromt gemäß einer ersten Ausführungsform über den Auslass 41.2 und die Leitung 15 entsprechend der Schaltung des Zweiwegeventils 18 über den Einlass 25 in die erste Kammer 22. Dabei wird das Arbeitsmittel durch Verschiebung des Kolbens 21 mit dem Läufer 20 entspannt, wobei die Volumensänderungsarbeit direkt in eine mechanische Arbeit (die Bewegung des Läufers 20 bzw. der Kolben 21) umgesetzt wird. Durch die Bewegung des Läufers 20 bzw. der Kolben 21, in 2 nach links, wird eine Spannung im Ständer 19 induziert und elektrische Energie erzeugt. Dabei wird in der zweiten Kammer 23 enthaltenes Arbeitsmittel über den Auslass 26 und das Rückschlagventil 24 aus der zweiten Kammer 23 verdrängt und strömt in die Leitung 9. Anschließend wird das Ventil umgeschaltet und verdampftes Arbeitsmittel aber den Auslass 25 in die zweite Kammer 23 eingeleitet, wodurch der Kolben 21 bzw. der Läufer 20 in 2 nach rechts bewegt wird und gleichzeitig Arbeitsmittel in der ersten Kammer 22 über das Rückschlagventil 24 in die Leitung 9 verdrängt wird. Auch bei der Bewegung nach rechts wird eine Spannung im Ständer 19 induziert und elektrische Energie erzeugt. Anschließend wird das Arbeitsmittel über die Leitung 9 kondensiert, wie es später beschrieben werden wird.
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Gemäß der alternativen Ausführungsform, und unter Verwendung es Ringgenerators in 3, strömt das verdampfte Arbeitsmittel aus dem Auslass 41.2 des Verdampfers 41 und die Leitung 15 in den Einlass 25, wodurch das Arbeitsmittel in den Turbinenschaufeln 32 bzw. der Turbine entspannt wird und die Volumenänderungsarbeit in mechanische Arbeit, die Rotation der Turbinenschaufeln 32 um die Achse 33, umgewandelt wird. Dabei dreht sich der Läuferring 31 mit den Turbinenschaufeln 32, wobei durch die Rotation im Stander 30 eine Spannung induziert und elektrische Energie erzeugt wird, bevor das Arbeitsmittel über den Auslass 26 in die Leitung 9 ausgegeben wird.
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Im Anschluss erfolgt die Kondensation, wobei das Arbeitsmittel in der Leitung 9 durch das im Fluidbehälter 14 enthaltene Wasser 10 strömt. In Heißgebieten wie Wüsten hat der Wüstenboden auf der Oberfläche Temperaturen um die 40°C bis 60°C. Bereits in 1 Meter Tiefe sind es jedoch nur noch 20°C, wobei die Temperatur mit zunehmender Tiefe zunächst weiter abnimmt. Durch eine entsprechend große Oberfläche des Fluidbehälters 14 und das darin enthaltene Wasser können zuverlässig kühle Temperaturen innerhalb des Fluidbehälters konstant aufrecht erhalten werden, so dass eine kontrollierte und gleichmäßige Kondensation erfolgen kann. Dabei durchströmt das noch dampfförmige Arbeitsmittel zunächst einen Regenerator 11 bevor es nach dem Verlassen des Regenerators 11 durch den Auslass 11.2 im Fluidbehälter 14 kondensiert. Nach der vollständigen Kondensation kann das Arbeitsmittel den Regenerator zur Vorwärmung über den Einlass 11.3 erneut durchströmen bevor es den Regenerator 11 durch den Auslass 11.4 vorgewärmt in die Leitung 13 und in den Einlass 41.1 des Verdampfers verlässt. Um das Arbeitsmittel in dem geschlossenen Kreis zu zirkulieren ist eine Arbeitsmittelpumpe 12 vorgesehen, die das Arbeitsmittel auf Betriebsdruck bringt. Über eine Leistungsregelung der Arbeitsmittelpumpe können alle Leistungsbereiche der Sonneneinstrahlung abgedeckt werden. Darüber hinaus steht die Arbeitsmittelpumpe vorzugsweise in direkter Wechselwirkung mit der Temperatur des Arbeitsmittels und den jeweiligen Eigenschaften des Arbeitsmittels.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es moglich ein wartungsarmes, kostengünstiges und effizientes System zu schaffen. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern verschiedene Abwandlungen erfolgen können. Zum Beispiel können andere Strahlungswärmekollektoren als Sonnenkollektoren zum Einsatz kommen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, das System mit Photovoltaikmodulen zu kombinieren, die gleichfalls selbst elektrische Energie erzeugen oder mit Solarmodulen. Auch ist es denkbar auf den dargestellten Regenerator 11 zu verzichten und/oder andere Wärmedämmungen vorzusehen. Auch ist die vorliegende Erfindung auf die rein beispielhaft genannten möglichen Arbeitsmedien nicht beschränkt. Lediglich ist es bevorzugt, dass diese einen relativ niedrigen Siedepunkt, vorzugsweise einen Siedepunkt unter 140°C, und mehr bevorzugt unter 100°C, und am meisten bevorzugt unter 50°C, und noch weiter bevorzugt unter 40°C, aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062378 A1 [0002]
