DE102010004874A1 - PV / T systems in water treatment systems - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Wasserentsalzung, das eine Photovoltaik-Anlage umfasst, wobei das System derart konfiguriert ist, das zu entsalzende Wasser durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage zu erwärmen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Wasserentsalzung, in dem das zu entsalzende Wasser mit der Abwärme einer Photovoltaik-Anlage erwärmt wird.The present invention relates to a desalination system comprising a photovoltaic system, the system being configured to heat the water to be desalinated by the waste heat of the photovoltaic system. The invention also relates to a process for desalination in which the water to be desalinated is heated with the waste heat of a photovoltaic system.
Description
Die Erfindung betrifft ein System zur Wasserentsalzung umfassend eine Photovoltaik-Anlage, wobei das System das zu entsalzende Wasser durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage erwärmt. Insbesondere kann diese Erwärmung des Wassers in Wasseraufbereitungssystemen durch eine PV/T-Anlage (Anlage, mit der photovoltaische und thermische Energie gewonnen werden kann) realisiert werden. Derartige Systeme können z. B. zur Meerwasserentsalzung eingesetzt werden, v. a. auch zusammen mit Membran-Verfahren, in denen es vorteilhaft ist, dass das zu entsalzende Wasser eine bestimmte erhöhte Temperatur aufweist vor der eigentlichen Aufbereitung.The The invention relates to a system for desalination of water comprising a Photovoltaic system, where the system is the water to be desalinated heated by the waste heat of the photovoltaic system. In particular, this heating of the water in water treatment systems through a PV / T system (plant, with the photovoltaic and thermal energy can be obtained) can be realized. Such systems can z. B. are used for seawater desalination, v. a. also together with membrane processes in which it is beneficial that too desalting water has a certain elevated temperature before the actual preparation.
Die Erfindung betrifft den Einsatz von PV/T-Systemen zur Energieversorgung von Wasseraufbereitungsanlagen mit Membrantechnologie und zielt dabei vor allem auf kleine, energieautarke Anlagen im dezentralen Bereich ab. Als Wasseraufbereitungsanlagen werden im Folgenden Anlagen zur Entsalzung von Meer- und Brackwasser sowie zur Aufbereitung von kontaminiertem Oberflächen- und Brunnenwasser bezeichnet. Die Kombination aus PV/T-Systemen und Wasseraufbereitungsanlagen ist völlig neuartig und birgt ein großes technisches wie wirtschaftliches Potenzial:
- • Enorme Steigerung der Trinkwasserproduktion
- • Alternative zu Druckrückgewinnungssystemen
- • Umsatzpotential von ca. 300 Mio. EUR pro Jahr
- • Enormous increase in drinking water production
- • Alternative to pressure recovery systems
- • Sales potential of approx. EUR 300 million per year
Bei bestimmten Anlagenkonfigurationen, z. B. bei Kombination von Umkehrosmose (RO) mit PV/T ist im Vergleich zu rein PV-betriebenen Anlagen eine Steigerung der Trinkwasserproduktion von ca. 35 bis 40% realistisch. Das heißt, dass ca. 25 bis 30% der PV-Modulfläche eingespart werden können, wenn man voraussetzt, dass die betrachteten PV/T-betriebenen und PV-betriebenen Anlagen gleiche Mengen an Trinkwasser produzieren. Die Investitionskosten für PV/T-Systeme liegen etwa 10% über denen der PV-Systeme. Das bedeutet, dass der Einsatz von PV/T-Systemen anstelle von PV-Systemen zur Energieversorgung von RO-Anlagen wirtschaftlich sinnvoll scheint.at certain plant configurations, eg. B. in combination of reverse osmosis (RO) with PV / T is one compared to purely PV-powered systems Increase of drinking water production from approx. 35 to 40% realistic. That is, about 25 to 30% of the PV module area can be saved if one assumes that the considered PV / T-powered and PV-powered plants the same Produce quantities of drinking water. The investment costs for PV / T systems are about 10% higher than PV systems. This means that the use of PV / T systems instead of PV systems for Energy supply from RO plants seems economically sensible.
Der Einsatz von PV/T-Systemen in der Wasseraufbereitung kann außerdem als ernstzunehmende Alternative zu bisherigen Druckrückgewinnungssystemen angesehen werden, deren Zweck die Reduktion des Energieverbrauchs einer Entsalzungsanlage ist. Rechnet man den Mehrertrag an Trinkwasser durch die Verwendung von PV/T-Systemen in eine vergleichbare Energieeinsparung um, lässt sich ein Mehrertrag von 35% als eine Energierückgewinnung von 25% interpretieren. PV/T-Systeme erreichen damit zwar nicht die Dimensionen von Druckrückgewinnungssystemen (mit Energieeinsparungen von 65 bis 75%), gerade diese sind aber für Kleinanlagen unrentabel, so dass der Einsatz von PV/T-Systemen gerade auf diesem Gebiet Sinn macht.Of the In addition, use of PV / T systems in water treatment can as a serious alternative to previous pressure recovery systems whose purpose is the reduction of energy consumption a desalination plant. If one calculates the surplus of drinking water through the use of PV / T systems in a comparable energy saving around, can be a surplus of 35% as an energy recovery of 25%. PV / T systems do not achieve this the dimensions of pressure recovery systems (with energy savings of 65 to 75%), but these are unprofitable for small plants, so the use of PV / T systems just makes sense in this field power.
Die Trinkwasserproblematik wird immer mehr zu einem der akutesten Probleme in der Welt. Die Vereinten Nationen prognostizieren, dass bis 2025 zwei Drittel der Weltbevölkerung an Trinkwasserknappheit leiden. Obwohl die Erde zu fast zwei Dritteln mit Wasser bedeckt ist, sind laut UNESCO nur etwa 0,02% dem Menschen als Süßwasser zugänglich. Nicht zuletzt deswegen ist die Wasseraufbereitung und speziell die Meerwasserentsalzung eine sehr aussichtsreiche Technologie zur Lösung dieses Problems. Ein Großteil der unterversorgten Menschen lebt in Entwicklungsländern in ländlichen Gebieten, abgeschnitten von jeglicher Infrastruktur. Das bedeutet auch, dass ein verlässlicher Zugang zur elektrischen Energieversorgung über ein Stromnetz nicht vorhanden ist. Deshalb müssen energieautarke Entsalzungsanlagen entwickelt werden. Da in Ländern wie beispielsweise Afrika oder Indien, in denen Trinkwasser aufgrund von Dürreperioden besonders knapp ist, das solare Angebot sehr hoch ist, liegt es nahe, Wasseraufbereitungsanlagen mit Solarenergie zu versorgen.The Drinking water problems are increasingly becoming one of the most acute problems in the world. The United Nations predict that by 2025 two-thirds of the world's population of drinking water shortages Suffer. Although the earth is almost two-thirds covered in water is, according to UNESCO, only about 0.02% of the people as fresh water accessible. Not least because of this is the water treatment and especially seawater desalination a very promising Technology to solve this problem. A big part The underserved people live in developing countries in rural areas, cut off from any infrastructure. The also means that a reliable access to the electrical Power supply via a power grid is not available. Therefore, self-sufficient desalination plants have to be developed become. As in countries such as Africa or India, in especially drinking water due to drought periods is scarce, the solar supply is very high, it is obvious, water treatment plants to supply with solar energy.
Es
ist bekannt, dass Wasseraufbereitungsanlagen, speziell Umkehrosmoseanlagen
mit von Solarzellen erzeugtem Strom betrieben werden können,
was z. B. aus
Es ist ebenso bekannt, dass die Leistungsfähigkeit der Umkehrosmose-Membranen, die das Salz aus dem Meerwasser filtern, temperaturabhängig ist. Je höher die Salzwassertemperatur ist, desto mehr Permeat kann produziert werden. Die „Recovery Ratio”, d. h. das Verhältnis von Permeatfluss zu Rohwasserfluss (mit Rohwasser wird in diesem Fall das zu entsalzende Meerwasser bezeichnet), wird größer. Das heißt, dass aus einem bestimmten Rohwasserfluss mehr Permeat gewonnen werden kann. Die Trinkwasserproduktion kann demnach durch eine Anhebung der Rohwassertemperatur gesteigert werden. Die Temperaturerhöhung ist durch die Materialeigenschaften der Membranen auf Temperaturen von 40°C bis 45°C beschränkt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Rohwasser auf diese Temperaturen vorzuwärmen.It is also known that the performance of the reverse osmosis membranes, which filter the salt from the seawater, is temperature dependent. The higher the salt water temperature, the more permeate can be produced. The "Recovery Ratio", ie the ratio of permeate flow to raw water flow (in this case raw water is called the seawater to be desalinated), becomes larger. This means that more permeate can be recovered from a given raw water flow. The drinking water production can therefore be increased by raising the raw water temperature. The temperature increase is limited by the material properties of the membranes to temperatures of 40 ° C to 45 ° C. There are different ways of getting the raw water to this temperature preheat.
In
Derartige Systeme haben den Nachteil, dass sie nicht energieautark eingesetzt werden können. Kraftwerke, die Meerwasser als Kühlwasser verwenden, und Strom aus dem herkömmlichen Stromnetz sind nicht in allen trinkwasserarmen Regionen vorhanden. Zudem sind fossile Energieträger zur Stromerzeugung nicht nur teuer, sondern auch nur noch begrenzt verfügbar.such Systems have the disadvantage that they are not used energy self-sufficient can be. Power plants, the seawater as cooling water use, and are electricity from the conventional power grid not available in all drinking water poor regions. In addition, fossil ones Energy sources for power generation not only expensive, but also only limited available.
Das Vorwärmen von Salzwasser macht prinzipiell auch bei der Meerwasserentsalzung auf Basis von Membrandestillation Sinn. Die Temperaturniveaus sind dann jedoch nicht wie bei der Umkehrosmose auf 40°C begrenzt, stattdessen sind Temperaturen von 80 bis 85°C erforderlich. Dies ist mit Einschränkungen für den elektrischen Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule verbunden. Bestehende PV/T-Systeme können außerdem die benötigte thermische Leistung nicht vollständig zur Verfügung stellen. Dennoch ist eine Kombination von PV/T-Kollektoren mit Entsalzungsanlagen auf Basis von Membrandestillation durchaus denkbar. Veröffentlichungen zu diesem Thema sind derzeit nicht bekannt.The Preheating of salt water makes in principle also in the Seawater desalination based on membrane distillation sense. The Temperature levels are then not as in reverse osmosis limited to 40 ° C, instead are temperatures of 80 up to 85 ° C required. This is with limitations for the electrical efficiency of photovoltaic modules connected. Existing PV / T systems can also the required thermal power is not complete provide. Nevertheless, a combination of PV / T collectors with desalination plants based on membrane distillation quite possible. Publications on this topic are currently unknown.
Ähnliche Ergebnisse wie für das Beispiel der Umkehrosmose sind für die Kombination von PV/T-Systemen mit Nanofiltrations-, Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationsanlagen für die Aufbereitung von kontaminiertem Oberflächen- oder Brunnenwasser zu erwarten. Die auf der Rohwasserseite benötigten Drücke sind weit niedriger als bei der Umkehrosmose, womit sich der Rohwasser-Massenstrom erhöhen und damit der thermische Nutzungsgrad der PV/T-Systeme etwas ungünstiger als bei der Umkehrosmose ausfallen wird.Similar Results as for the example of reverse osmosis are for the combination of PV / T systems with nanofiltration, ultrafiltration or Microfiltration plants for the treatment of contaminated Surface or well water to be expected. The on the Raw water side pressures are much lower than in reverse osmosis, which increases the raw water mass flow and Thus, the thermal efficiency of PV / T systems a little less favorable than will turn out in reverse osmosis.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu finden, Wasseraufbereitungsanlagen, insbesondere solche mit Membrantechnologie, energieautark mit Hilfe von Solarenergie bei vergleichsweise geringen Kosten zu betreiben. Eine weitere bzw. zusätzliche Aufgabe ist es, die bestehenden Verfahren und Systeme zu verbessern und die Nachteile des Stands der Technik abzuwenden.task the invention is to find a way of treating water treatment plants, especially those with membrane technology, energy self-sufficient with the help of solar energy at comparatively low cost. Another or additional task is the existing procedures and to improve systems and the disadvantages of the prior art avert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.These The object is solved by the features of claim 1.
Die Erfindung stellt ein System zur Wasseraufbereitung mit einer Photovoltaik-Anlage bereit, wobei die Abwärme der Photovoltaik-Anlage im Betrieb das Rohwasser für spätere Aufbereitungen vorwärmt.The Invention provides a system for water treatment with a photovoltaic system ready, with the waste heat of the photovoltaic system in operation preheating the raw water for later processing.
Unter einem PV/T-System bzw. einer PV/T-Anlage ist zum Beispiel die Kombination einer Photovoltaikanlage (PV) mit einem thermischen Solarkollektor (T) in einer baulichen Einheit zu verstehen. Dies betrifft alle Systeme und/oder Anlagen, die gleichzeitig elektrische und thermische Energie aus Sonnenenergie erzeugen können. Eine Eigenschaft von herkömmlichen PV-Modulen ist es, dass mit zunehmender solarer Einstrahlung die Modultemperatur ansteigt und der elektrische Wirkungsgrad mit etwa 0,5% pro K fällt. Bei sogenannten hybriden PV/T-Systemen kann man diese Temperaturerhöhung zur Erwärmung eines Fluides (meist Wasser oder Luft) nutzen. Ein thermischer Wirkungsgrad von 45–65% ist möglich. Gleichzeitig wird das Photovoltaikmodul, z. B. durch das zu entsalzende Wasser, gekühlt, was sich positiv auf den elektrischen Wirkungsgrad des Photovoltaikmoduls auswirkt. Die Solarenergie wird damit durch die Photovoltaikmodule der Anlage nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch genutzt, so dass eine PV/T-Anlage mit photovoltaischer und gleichzeitiger thermischer Anwendung vorliegt. Insgesamt ergibt sich somit außerdem ein höherer Gesamtwirkungsgrad des Systems zur Wasseraufbereitung. Der Einsatz von PV/T-Systemen im Bereich der Wasseraufbereitung ist neuartig und kann einen Betrag zur Lösung des globalen Trinkwasserproblems beitragen.Under A PV / T system or a PV / T system, for example, is the combination a photovoltaic system (PV) with a thermal solar collector (T) in a structural unit. This affects everyone Systems and / or installations that are both electrical and thermal Generate energy from solar energy. A property of conventional PV modules is that with increasing solar Irradiation increases the module temperature and the electrical efficiency with about 0.5% per K falls. In so-called hybrid PV / T systems you can use this temperature increase for heating a fluid (mostly water or air) use. A thermal efficiency from 45-65% is possible. At the same time that will Photovoltaic module, z. B. by the water to be desalinated, cooled, which has a positive effect on the electrical efficiency of the photovoltaic module effect. The solar energy is thus used by the photovoltaic modules of Plant not only electrically, but also used thermally, so that a PV / T system with photovoltaic and simultaneous thermal Application exists. Overall, this also results in a higher overall efficiency of the water treatment system. The use of PV / T systems in the field of water treatment is novel and can be an amount to solve the global drinking water problem contribute.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Wasserentsalzung, wobei das System eine Photovoltaik-Anlage umfasst. Das System ist derart konfiguriert, das zu entsalzende Wasser durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage zu erwärmen.The The present invention relates to a system for desalination of water, the system comprising a photovoltaic system. The system is configured so the water to be desalinated by the waste heat to heat the photovoltaic system.
Das System ist vorzugsweise neben dem Einsatz in der Entsalzung von Meerwasser auch generell für die Wasseraufbereitung im Allgemeinen von Vorteil.The System is preferably in addition to use in the desalination of Also generally used for water treatment in the sea Generally beneficial.
Der Begriff „Wasserentsalzung” ist hier die Bezeichnung für die Gewinnung von Trinkwasser oder Brauchwasser aus Meerwasser durch die Verringerung des Salzgehaltes.Of the Term "water desalination" is the name here for the production of drinking water or industrial water Seawater by reducing the salt content.
Eine „Entsalzung” kann sich auf mehrere Prozesse beziehen, die Salze und Minerale aus dem Wasser entfernen, insbesondere um Trinkwasser zu gewinnen.A "desalination" can refer to several processes, the salts and minerals from the water remove, especially to win drinking water.
Das System zur Wasserentsalzung oder Wasseraufbereitung umfasst eine Photovoltaik-Anlage und kann in einer Ausführungsform eine Pumpen-Anlage und/oder Zuführleitungen für das zu entsalzende oder aufzubereitende Wasser (i. e. das Rohwasser) umfassen. Die Zuführleitungen können hierbei insbesondere geeignet sein, Salzwasser zu führen und sind z. B. aus einem salzwasserresistenten Material wie einem Kunststoff hergestellt (beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Polytetrafuorethylen (PTFE), Kunstharz, uvm.; auch Kunststoffe mit Füllstoffen wie z. B. Metalle oder Keramiken zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes sind denkbar). Die Pumpen-Anlage kann geeignet sein, das Rohwasser an die Photovoltaik-Anlage und/oder von der Photovoltaik-Anlage zu einer unten näher beschriebenen Membran-Einheit zu bringen. An der Photovoltaik-Anlage wird das Rohwasser von der Abwärme der Photovoltaik-Anlage erwärmt, wobei das Rohwasser andererseits die Photovoltaik-Anlage kühlen kann. Das so erwärmte Rohwasser kann dann in der Membran-Einheit aufbereitet werden.The system for desalination or water treatment includes a photovoltaic system ge and may comprise in one embodiment, a pump system and / or supply lines for the water to be desalted or treated (ie the raw water). The supply lines may in this case be suitable, in particular, to lead salt water and z. B. made of a salt water resistant material such as a plastic (for example, polypropylene, polyethylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), synthetic resin, etc .. Also plastics with fillers such as metals or ceramics to increase the thermal conductivity of the plastic are conceivable). The pump system may be suitable to bring the raw water to the photovoltaic system and / or from the photovoltaic system to a membrane unit described in more detail below. At the photovoltaic system, the raw water is heated by the waste heat of the photovoltaic system, whereby the raw water on the other hand can cool the photovoltaic system. The thus heated raw water can then be processed in the membrane unit.
Die Photovoltaik-Anlage kann z. B. eine oder mehrere Solarzellen (Photovoltaikzellen) umfassen. Sind mehrere Solarzellen vorgesehen, können diese über eine elektrische Verschaltung der Solarzellen in einem Modul (Solarzellenmodul, Photovoltaikmodul) angeordnet sein. Dieses Modul kann dann derart ausgestaltet sein, dass mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet sind und auf diese Weise eine Solarzellenreihe innerhalb des Solarzellenmoduls bilden, so dass sich deren Ausgangsspannungen addieren. Auch können innerhalb des Solarzellenmoduls mehrere dieser Solarzellenreihen parallel geschaltet werden. Die Photovoltaik-Anlage kann z. B. ein Array aus Solarzellenmodulen umfassen, wobei in wohl definierter Weise bestimmte Solarzellenmodule hinzu- oder abgeschaltet werden können. In einer Ausführungsform umfasst das Array Solarzellenmodule unterschiedlicher Leistungsfähigkeit. Zum Beispiel können einige wenige Solarzellenmodule aus Solarzellen aufgebaut sein, die auch bei höheren Abwärme-Temperaturen als die Solarzellen anderer Solarzellenmodule den gleichen Wirkungsgrad erreichen, so dass das Rohwasser beim Hinzuschalten dieser Solarzellenmodule stärker erwärmt werden kann. Unter „Abwärme” wird hier insbesondere die durch die Solarzelle durch die Wärmeleitung und/oder Strahlung abgegebene Wärme verstanden. Je mehr Energie die Solarzelle durch die Sonneneinstrahlung aufgenommen hat, desto mehr Abwärme kann zur Verfügung stehen.The Photovoltaic system can z. B. one or more solar cells (photovoltaic cells) include. If several solar cells are provided, these can be over an electrical interconnection of the solar cells in a module (solar cell module, Photovoltaic module) may be arranged. This module can then be designed in this way be that several solar cells are connected in series and on this way a solar cell array inside the solar cell module form so that their output voltages add up. Also can within the solar cell module several of these rows of solar cells be switched in parallel. The photovoltaic system can z. B. a Array of solar cell modules include, where in well-defined Way certain solar cell modules are added or turned off can. In one embodiment, the array comprises Solar cell modules of different efficiency. For example, a few solar cell modules may be off Solar cells can be constructed, even at higher heat-exhaust temperatures as the solar cells of other solar cell modules reach the same efficiency, so that the raw water when connecting these solar cell modules stronger can be heated. Under "waste heat" is here in particular by the solar cell through the heat conduction and / or radiation emitted heat understood. The more energy the solar cell has absorbed by the sun, the more more waste heat can be available.
Dieses Konzept der Hinzu- bzw. Abschaltung bestimmter Solarzellenmodule mit höherer Abwärme kann z. B. für die später unten erläuterte Membran-Destillation, die höher vorgewärmtes Rohwasser verwenden kann, von Vorteil sein. Sollte statt Membran-Destillation das System zur Wasseraufbereitung nach dem Umkehrosmose-Verfahren durchgeführt werden, könnten die vorhandenen Solarzellenmodule, die eine stärkere Abwärme aufweisen, ausgeschaltet werden. Somit ist es möglich, das System auf einfache Weise dem jeweiligen Wasseraufbereitungsverfahren anzupassen. Auch kann mit einem derartigen System je nach benötigter elektrischer Energie (z. B. für die Pumpen-Anlage) die volle elektrische Leistung des Arrays oder eben nur ein bestimmter Teil davon abgerufen werden.This Concept of adding or disabling certain solar cell modules with higher waste heat can z. B. for the later explained membrane distillation, can use the higher preheated raw water, be beneficial. Should instead of membrane distillation the system for Water treatment can be carried out according to the reverse osmosis process, could be the existing solar cell modules, the stronger Have waste heat, be turned off. Thus, it is possible the system in a simple way the respective water treatment process adapt. Also, with such a system depending on the needed electrical energy (eg for the pump system) the full electrical power of the array or just a specific one Part of it will be retrieved.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das System derart konfiguriert, das zu entsalzende Wasser durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage zu erwärmen. In diesem Fall generiert die Photovoltaik-Anlage nicht nur elektrische, sondern (z. B. inhärent) auch thermische Energie. Die Erwärmung des Wassers kann insbesondere dadurch geschehen, dass das System Mittel aufweist, das zu entsalzende (oder generell: das aufzubereitende) Wasser nahe an die Photovoltaik-Anlage zu bringen. Zum Beispiel kann dies durch Schläuche erfolgen, die an mindestens einer der Seitenflächen der Photovoltaik-Anlage oder des Solarzellenmoduls, insbesondere an deren Rückseite (die der Sonneneinstrahlung abgewandte Seite), angeordnet sind. In einer Ausführungsform können diese Schläuche in Schlingen/Schlaufen oder in einem beliebigen anderen Muster angeordnet sein, z. B. um eine wärmeabstrahlende Fläche der Photovoltaik-Anlage bzw. des Solarzellenmoduls möglichst effektiv zu nutzen. Auf diese Weise kann das durch die Schläuche geleitete Rohwasser auch die Photovoltaik-Anlage bzw. das Solarzellenmodul kühlen, z. B. um den Wirkungsgrad entsprechend zu kontrollieren. Die Schläuche können z. B. aus einem salzwasserresistenten Material hergestellt sein, z. B. aus einem Kunststoff.According to the According to the present invention, the system is configured to Desalinating water due to the waste heat of the photovoltaic system to warm up. In this case, the photovoltaic system generates not only electrical, but also thermal (eg inherent) Energy. The heating of the water can be characterized in particular happen that the system has means to be desalted (or general: the water to be treated close to the photovoltaic system bring to. For example, this can be done through hoses, on at least one of the side surfaces of the photovoltaic system or the solar cell module, in particular at the rear side (The side facing away from sunlight) are arranged. In one embodiment, these hoses be arranged in loops / loops or in any other pattern, z. B. to a heat radiating surface of the photovoltaic system or the solar cell module as effectively as possible. In this way, that can be passed through the hoses Raw water also cool the photovoltaic system or the solar cell module, z. B. to control the efficiency accordingly. The tubes can z. B. made of a salt water resistant material be, z. B. of a plastic.
In einer Ausführungsform können herkömmliche PV/T-Anlagen verwendet werden, um das aufzubereitende Wasser, vorzugsweise Salzwasser, zu erwärmen. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Wärmetauscher vorgesehen, der das aufzubereitende Wasser durch eine anderes Fluid erwärmt, von dem das aufzubereitende Wasser im Wärmetauscher Energie aufnimmt. Auf diese Weise kann das aufzubereitende Wasser indirekt, also z. B. über ein weiteres Fluid, erwärmt werden.In an embodiment may conventional PV / T systems used to treat the water to be treated, preferably Salt water, to warm. In this case, preferably a heat exchanger provided, which the reprocessed Water heated by another fluid, from which the reprocessed Water in the heat exchanger absorbs energy. In this way can the water to be treated indirectly, so z. B. over another fluid, to be heated.
Die hier beschriebenen PV/T-Systeme, die in Verbindung mit Wasseraufbereitungsanlagen mit Membrantechnologie zum Einsatz kommen, erzeugen also mit Hilfe von Solarzellen sowohl elektrische als auch thermische Energie (und erwärmen beispielsweise mit Hilfe dieser thermischen Einheit ein Fluid) und nutzen letztere zur Erwärmung des aufzubereitenden Wassers. Dabei ist es unerheblich, wie dieses hier als PV/T-System bezeichnete System aufgebaut ist. Es werden sämtliche Systeme erfasst, unabhängig von
- (a) einem Material der Solarzellen (Solarzellen aus monokristallinem, polykristallinem Silizium, Dünnschichtzellen, Farbstoff-(Gräzel)-Solarzellen, organische Solarzellen, usw.),
- (b) einem Material des Absorbers und Wärmeübertragers der thermischen Einheit (Metalle wie z. B. Kupfer, Kunststoffe, Keramiken, usw.),
- (c) einer Geometrie des PV/T-Systems (Flachkollektoren, konzentrierende Systeme, usw.),
- (d) einer Geometrie der sich hinter den Solarzeilen befindenden thermischen Einheit (Kanal- oder röhrenförmiger Wärmeübertrager, usw.),
- (e) einer Anzahl der eventuellen Abdeckungen, die über den Solarzellen angebracht sind (keine, eine, mehrere),
- (f) einem Material der Abdeckungen (Glas, Teflon, Kunststoff, usw.),
- (g) einem eventuellen Arbeitsfluid, das in dem PV/T-System strömt (Wasser, Luft, usw.),
- (h) einer Art und einem Material der verwendeten Isolierungen,
- (i) einem Einsatz von Spiegeln zur Konzentration von Sonnenstrahlen.
- (a) a material of the solar cells (monocrystalline, polycrystalline silicon solar cells, Thin-film cells, dye (Gräzel) solar cells, organic solar cells, etc.),
- (b) a material of the absorber and heat exchanger of the thermal unit (metals such as copper, plastics, ceramics, etc.),
- (c) a geometry of the PV / T system (flat plate collectors, concentrating systems, etc.),
- (d) a geometry of the thermal unit located behind the solar cells (duct or tubular heat exchanger, etc.),
- (e) a number of any covers that are placed over the solar cells (none, one, more),
- (f) a material of the covers (glass, teflon, plastic, etc.),
- (g) any working fluid that is flowing in the PV / T system (water, air, etc.),
- (h) a type and a material of the insulation used,
- (i) use of mirrors to concentrate sunbeams.
Vielmehr stellen die oben genannten Alternativen bevorzugte Ausführungsformen dar.Much more The above alternatives provide preferred embodiments represents.
Als ein Nachteil von PV/T-Systemen außerhalb des technischen Gebiets der Wasseraufbereitung galt bisher, dass bei einem vergleichsweise guten elektrischen Wirkungsgrad das im PV/T-Kollektor strömende Fluid nur auf niedrige Temperaturniveaus aufgeheizt werden kann. Ein guter elektrischer Wirkungsgrad kann bei PV-Modultemperaturen von bis zu 40°C garantiert werden. Das wiederum bedeutet, dass ein hinter den Solarzellen zirkulierende Kühlungs-Fluid maximal Temperaturen von 30°C bis 40°C annehmen kann. Dieses Temperaturniveau kann allerdings für eine konventionelle PV/T-Anwendung im Bereich Brauchwasser, Prozesswärme oder Heizung ohne zusätzliche Heizunterstützung (z. B. mittels eines separaten Solarkollektors) zu niedrig sein.When a disadvantage of PV / T systems outside the technical Area of water treatment was previously considered that in a comparatively good electrical efficiency that flowing in the PV / T collector Fluid can only be heated to low temperature levels. Good electrical efficiency can be achieved at PV module temperatures guaranteed up to 40 ° C. That in turn means that a cooling fluid circulating behind the solar cells maximum temperatures of 30 ° C to 40 ° C can. This temperature level can, however, for a Conventional PV / T application in the field of process water, process heat or heating without additional heating support (eg by means of a separate solar collector) to be too low.
Ein Anwendungsgebiet, das bisher noch nicht erschlossen ist, ist nun der erfindungsgemäß beschriebene Einsatz von PV/T-Systemen zur Energieversorgung von Wasseraufbereitungsanlagen. Der von den Solarzellen erzeugte Strom kann beispielsweise die Pumpen für den nötigen Rohwasserfluss antreiben, wie oben bereits beschrieben. Durch die gleichzeitige thermische Anwendung der Photovoltaik-Anlage wird das Rohwasser vorgewärmt, wodurch es auf Temperaturen bis maximal 40°C bis 45°C erwärmt werden kann. Dieses Temperaturniveau stellt, wie bereits oben erläutert wurde, gleichzeitig die obere Grenze für die Wassertemperaturen in Membran-Anlagen dar, da die Mehrzahl der Membranen bei höheren Temperaturen zerstört werden.One Field of application that has not yet been developed is now the invention described use of PV / T systems for the energy supply of water treatment plants. The one of the Solar cells generated electricity, for example, the pumps for drive the necessary raw water flow, as above described. Due to the simultaneous thermal application of the photovoltaic system the raw water is preheated, causing it to temperatures be heated to a maximum of 40 ° C to 45 ° C. can. This temperature level, as already explained above was at the same time the upper limit for the water temperatures in Membrane systems, since the majority of the membranes at higher Temperatures are destroyed.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein einfacheres und damit kostengünstigeres, mit nur einer Photovoltaik-Anlage (PV/T-Anlage) betriebenes Wasseraufbereitungssystem zur Verfügung.Consequently provides the present invention a simpler and thus more cost-effective, with only one photovoltaic system (PV / T system) operated water treatment system to disposal.
Um
beispielhaft das technische Potential von erfindungsgemäßen
Systemen mit PV/T-betriebenen Umkehrosmoseaniagen zur Brackwasser-
und Meerwasserentsalzung abzuschätzen, wurde eine Simulation
für 16 unterschiedliche Fälle implementiert und durchgeführt
(siehe
Für ein erfindungsgemäßes PV/T RO System ergab sich Folgendes: Aufgrund des Vorwärmens des Rohwassers und der Kühlung der Solarzellen kann eine Steigerung der Permeat-Produktion von ca. 35 bis 40% erreicht werden. Damit ließen sich ungefähr 25 bis 30% an PV-Modulfläche einsparen, wenn man voraussetzt, dass die betrachteten Anlagen gleiche Mengen an Permeat produzieren sollen.For a PV / T RO system according to the invention was obtained The following: Due to the preheating of the raw water and the Cooling the solar cells can increase the permeate production of about 35 to 40% can be achieved. This could be approximately Save 25 to 30% of PV module area, assuming that the plants considered produce equal amounts of permeate should.
Die Investitionskosten für PV/T-Systeme mit photovoltaischer und thermischer Anwendung liegen etwa 10% über denen der reinen PV-Systeme, in denen lediglich elektrische Energie nutzbar gemacht werden soll. Das bedeutet, dass der erfindungsgemäße Einsatz von PV/T-Systemen anstelle von PV-Systemen zur Energieversorgung von Umkehrosmoseanlagen wirtschaftlich sinnvoll ist, schließlich können 25 bis 30% an PV-Modulfläche eingespart werden. Diese Erkenntnis lässt sich auch auf reine Filtrationsverfahren zur Aufbereitung von kontaminiertem Oberflächen oder Brunnenwasser übertragen. Die Potentiale sind hier ähnlich, wobei gegenüber RO-Systemen ein etwas schlechterer thermischer Nutzungsgrad der PV/T-Systeme erwartet werden könnte.The Investment costs for PV / T systems with photovoltaic and thermal application are about 10% higher than the pure PV systems in which only electrical energy can be used should be made. This means that the inventive Use of PV / T systems instead of PV systems for power supply of reverse osmosis systems makes economic sense, after all 25 to 30% savings in PV module area. This realization can also be applied to pure filtration processes for processing transmitted from contaminated surfaces or well water. The potentials are similar here, being opposite RO systems a slightly lower thermal efficiency of the PV / T systems could be expected.
Der Einsatz einer Photovoltaik-Anlage unter Nutzung ihrer Abwärme ist somit auf dem hier vorliegenden technischen Gebiet der Wasseraufbereitung, insbesondere der Wasserentsalzung, von großem Vorteil.Of the Use of a photovoltaic system using its waste heat is thus in the present technical field of water treatment, in particular desalination, a great advantage.
Bekannte Photovoltaik-Anlagen wurden für den Einsatz in der Wasseraufbereitung lediglich dafür verwendet, den Strom für den Betrieb des Aufbereitungssystems zu liefern. Durch eine Erwärmung der Solarzellen durch Sonneneinstrahlung kann jedoch der Wirkungsgrad der Solarzellen erheblich erniedrigt werden, so dass eine Kühlung der Solarzellen, üblicherweise durch Luft oder Wasser, notwendig sein kann.Known photovoltaic systems have been used for water treatment purposes only for powering up the plant supply system. By heating the solar cells by solar radiation, however, the efficiency of the solar cell can be significantly reduced, so that cooling of the solar cells, usually by air or water, may be necessary.
Dies macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutze, indem das aufzubereitende (z. B. zu entsalzende) Wasser durch die Abwärme der Solarzellen erwärmt und damit besser an die Notwendigkeiten der folgenden Aufbereitungsschritte angepasst werden kann. Somit kann in vorteilhafter Weise ein optimaler Betrieb sowohl der Solarzellen als auch einer nachfolgenden Aufbereitungsanlage erreicht werden.This The present invention makes use of the fact that the (For example, water to be desalinated) heated by the waste heat of the solar cells and thus better to the needs of the following treatment steps can be adjusted. Thus, advantageously, an optimum Operation of both the solar cells and a subsequent treatment plant be achieved.
Bestehende Anlagen für Wasseraufbereitungssysteme nutzen die Photovoltaik-Anlage lediglich zur Gewinnung von Strom, ohne die entstehende thermische Energie zu nutzen.existing Systems for water treatment systems use the photovoltaic system only for the production of electricity, without the resulting thermal To use energy.
Die bisherigen Lehren hinsichtlich der thermischen Energie-Entwicklung bei Sonneneinstrahlung auf eine Solarzelle gehen in eine völlig andere Richtung: Die Wärmeabstrahlung der Solarzelle wurde üblicherweise durch eine entsprechende Kühlung so weit wie möglich egalisiert, während die vorliegende Erfindung sich diese thermische Energie zu Nutzen macht.The previous teachings regarding thermal energy development When sun exposure on a solar cell go into a completely other direction: The heat radiation of the solar cell became common by appropriate cooling as much as possible equalized while the present invention is this makes use of thermal energy.
In einer Ausführungsform ist die Photovoltaik-Anlage derart konfiguriert, zum Betrieb des Systems notwendige elektrische Energie zu liefern.In In one embodiment, the photovoltaic system is such configured, necessary for operating the system electrical energy to deliver.
Auf diese Weise kann das System, vorzugsweise unabhängig von weiteren Energiequellen, die Wasseraufbereitung, insbesondere die Wasserentsalzung, durchführen. Somit ist das System gerade für den Einsatz in Entwicklungsländern und von Strom- oder anderen Energienetzen weit entfernten Orten besonders geeignet.On this way the system can, preferably independent of other energy sources, water treatment, especially the Desalination water. Thus, the system is just for use in developing countries and of electricity or other energy networks far away places particularly suitable.
In einer Ausführungsform umfasst das System eine Membran-Einheit, die derart konfiguriert ist, den Salzgehalt des erwärmten Wassers zu verringern.In In one embodiment, the system comprises a membrane unit, which is configured to the salinity of the heated To reduce water.
Eine Membran-Einheit ist hierbei jede Vorrichtung, die eine Membran umfasst und derart konfiguriert ist, Rohwasser aufzubereiten. Mögliche Verfahren unter Nutzung einer derartigen Membran-Einheit sind z. B. die Umkehrosmose, die Membrandestillation, die Nanofiltration, die Ultrafiltration und die Mikrofiltration. Je nach verwendetem Aufbereitungsverfahren, insbesondere Entsalzungsverfahren, ist die Membran der Membran-Einheit eine semipermeable Membran und weist eine Porengröße von 0.1 bis 5 nm (z. B. für Umkehrosmose) und/oder 0.05 bis 0.5 mm (Membran-Destillation) auf. In einer Ausführungsform kann die Membran hydrophob sein, z. B. in der Verwendung als Membran für die Membran-Destillation.A Membrane unit here is any device that includes a membrane and configured to treat raw water. Possible Methods using such a membrane unit are for. B. reverse osmosis, membrane distillation, nanofiltration, ultrafiltration and microfiltration. Depending on the used Processing, in particular desalting, is the Membrane of the membrane unit a semipermeable membrane and has a pore size of 0.1 to 5 nm (eg for Reverse osmosis) and / or 0.05 to 0.5 mm (membrane distillation). In one embodiment, the membrane may be hydrophobic, z. B. in use as a membrane for membrane distillation.
Zum Beispiel, Wasseraufbereitungsanlagen, insbesondere Wasserentsalzungssysteme, auf Basis von Membranverfahren, die mit PV/T-Systemen betrieben werden, benötigen semipermeable Membranen zur Filtration des Rohwassers. Verschiedenste Membranen sind nutzbar in einer Membran-Einheit des erfindungsgemäßen Systems. Alle vorstellbaren Membran-Einheiten, die geeignet sind, eine Wasseraufbereitung, insbesondere eine Wasserentsalzung, vorzunehmen, sind in dem System möglich. Die Membran-Einheit des Systems kann somit unabhängig sein von
- (a) einem bestimmten Membrantyp (Spiral-Wickelmembranen, Hohlfasermembranen, Platten-Membranen, usw.) und Membranmaterial,
- (b) einem Wirkprinzip (Umkehrosmose, Membrandestillation, Nanofiltration, Ultrafiltration, Mikrofiltration usw.),
- (c) einer Anzahl an Membranen,
- (d) einer Anordnung der Membranen (parallel oder in Serie,)
- (e) einer Zusammensetzung des Fluids, das durch die Membran strömt.
- (a) a certain type of membrane (spiral wound membranes, hollow fiber membranes, plate membranes, etc.) and membrane material,
- (b) a mode of action (reverse osmosis, membrane distillation, nanofiltration, ultrafiltration, microfiltration, etc.),
- (c) a number of membranes,
- (d) an arrangement of the membranes (parallel or in series)
- (e) a composition of the fluid flowing through the membrane.
Vielmehr stellen die oben genannten Alternativen bevorzugte Ausführungsformen dar.Much more The above alternatives provide preferred embodiments represents.
In einer Ausführungsform umfasst die Membran-Einheit eine Umkehrosmose-Anlage.In In one embodiment, the membrane unit comprises a Reverse osmosis system.
Eine Variante von Wasseraufbereitungsanlagen mit Membrantechnologie sind sogenannte Umkehrosmose-Anlagen. Bei einer Wasserentsalzung wird das Salz hierbei durch Membranfiltration unter hohem Druck vom Wasser getrennt. Das zurückbleibende, reine Wasser, das sogenannte Permeat, kann dann zu Trinkwasser aufbereitet werden.A Variant of water treatment plants with membrane technology are so-called reverse osmosis plants. In a desalination is the salt in this case by membrane filtration under high pressure from the water separated. The remaining, pure water, the so-called Permeate, can then be treated to drinking water.
Im Detail wird bei der Umkehrosmose (engl. RO („reverse osmosis”)) die aufzubereitende Lösung (z. B. das Meerwasser) unter hohem Druck, zwecks Überwindung des osmotischen Druckes, durch eine semipermeable Membran gepresst. Diese Membran wirkt wie ein Filter und lässt nur bestimmte Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen durch. Somit erhält man eine Trennung der ursprünglichen Lösung. Durch den Membranfilter lassen sich z. B. Salz, Bakterien, Viren, Kalk und auch bestimmte Gifte, wie z. B. Schwermetalle, zurückhalten.in the Detail becomes in the reverse osmosis (RO) ("reverse osmosis") the solution to be treated (eg the seawater) under high pressure, in order to overcome the osmotic pressure, pressed by a semipermeable membrane. This membrane acts like a filter and leaves only certain atoms and / or molecules and / or ions. Thus one obtains a separation of original solution. Through the membrane filter can be z. As salt, bacteria, viruses, lime and certain Poisons, such as As heavy metals, withhold.
In einer Ausführungsform umfasst die Membran-Einheit eine Membran-Destillationsanlage.In In one embodiment, the membrane unit comprises a Membrane distillation plant.
Die Membran-Destillation basiert auf einem Verfahren, bei dem aufbereitetes Wasser durch Kondensation nach der Membran-Filterung erhalten wird. Zum Beispiel kann bei einem Entsalzungsverfahren eine mikroporöse und/oder hydrophobe Membran eingesetzt werden, die nur Wasserdampf durchlässt, flüssiges Wasser jedoch zurückhält. Auf der einen Seite der Membran befindet sich warmes Salzwasser (z. B. durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage erwärmt) und auf der anderen Seite eine kältere Fläche. Besteht auf der ganzen Länge der Membran eine Temperaturdifferenz, entsteht ein Wasserdampfpartialdruckgefälle, was bewirkt, dass Wassermoleküle von der warmen auf die kalte Seite der Membran gelangen und dort kondensieren.Membrane distillation is based on a process where treated water is obtained by condensation after membrane filtration. For example, in a desalting process a microporous and / or hydrophobic membrane may be used which only allows water vapor to pass but retains liquid water. On one side of the membrane is warm salt water (eg heated by the waste heat of the photovoltaic system) and on the other side a colder surface. If there is a temperature difference along the entire length of the membrane, a water vapor partial pressure gradient results, which causes water molecules to pass from the hot to the cold side of the membrane and condense there.
Bei der Entsalzung auf Basis von Membran-Destillation kann durch den Einsatz von PV/T-Systemen die benötigte thermische Leistung zwar unter Umständen nicht vollständig zur Verfügung gestellt werden, aber das Vorwärmen durch solche Photovoltaik-Anlagen ist dennoch gewinnbringend und erhöht in vorteilhafter Weise den Wirkungsgrad des Gesamtsystems.at The desalination based on membrane distillation can be achieved by the Use of PV / T systems the required thermal power though may not be fully available be put, but the preheating by such photovoltaic systems is nevertheless profitable and increases in an advantageous manner Way the efficiency of the overall system.
In einer Ausführungsform kann das System thermische Solarkollektoren umfassen.In In one embodiment, the system may be thermal solar collectors include.
Zum Beispiel kann das Rohwasser über die Abwärme der Photovoltaik-Anlage erwärmt (vorgewärmt) werden, um dann von den thermischen Solarkollektoren auf eine noch höhere Temperatur gebracht zu werden. Auf diese Weise sind besonders hohe Temperaturen für das Rohwasser zu erreichen, insbesondere Temperaturen, bei denen die Photovoltaik-Anlage einen zu geringen Wirkungsgrad aufweisen würde, um noch effektiv Strom zu erzeugen.To the Example, the raw water on the waste heat of the Photovoltaic system will be heated (preheated), then from the thermal solar collectors to an even higher Temperature to be brought. In this way are particularly high To reach temperatures for the raw water, in particular Temperatures at which the photovoltaic system too low Efficiency would still be effective to power produce.
Insbesondere könnte ein derartiges System in der Wasseraufbereitung mit einem Membran-Destillations-Verfahren eingesetzt werden, bei dem höhere Rohwasser-Temperaturen von etwa 80°C von Vorteil waren.Especially could such a system in the water treatment be used with a membrane distillation process, at the higher raw water temperatures of about 80 ° C were beneficial.
In einer Ausführungsform umfasst das System kein zusätzliches Mittel zur Erwärmung des zu entsalzenden Wassers, insbesondere keine Solarkollektoren.In In one embodiment, the system does not include any additional Means for heating the water to be desalinated, in particular no solar panels.
In einer Ausführungsform umfasst das System somit zur Erwärmung des Rohwassers (i. e. des zu entsalzenden und/oder aufzubereitenden Wassers) nur die Photovoltaik-Anlage. Zum Beispiel sind keine thermischen Solarkollektoren vorgesehen, um das Rohwasser (weiter) zu erwärmen, um höhere Temperaturen für das Rohwasser zu erreichen, bevor dieses in der Membran-Einheit aufbereitet wird (z. B. indem sein Salzgehalt verringert wird). „Kein zusätzliches Mittel zur Erwärmung des zu entsalzenden Wassers” meint hierbei insbesondere, dass kein thermische Energie generierendes Mittel vorgesehen ist, dass nicht-thermische Energie gezielt in thermische Energie umwandelt, um dann das zu entsalzende Wasser zu erwärmen.In Thus, in one embodiment, the system comprises for heating of the raw water (i e of the product to be desalinated and / or treated Water) only the photovoltaic system. For example, no thermal Solar collectors provided to (further) heat the raw water, to reach higher temperatures for the raw water, before it is processed in the membrane unit (eg by its salt content is reduced). "No additional Means for heating the water to be desalinated "means in particular, that no thermal energy generating Means is provided that non-thermal energy targeted in converts thermal energy, then the water to be desalinated to warm up.
Auf diese Weise kann ein besonders einfaches und damit kostengünstiges System bereitgestellt werden, in dem die zur Stromversorgung notwendige Photovoltaik-Anlage ebenfalls als thermische Komponente des Systems genutzt wird, um das Rohwasser zu erwärmen.On This way, a particularly simple and therefore cost-effective Be provided system in which the necessary for the power supply Photovoltaic system also as a thermal component of the system is used to heat the raw water.
Insbesondere könnte ein derartiges System in der Wasseraufbereitung mit einem Umkehrosmose-Verfahren eingesetzt werden, bei dem Rohwasser-Temperaturen von 40°C bis 45°C von Vorteil wären und die bereits schon durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage erreicht werden können.Especially could such a system in the water treatment be used with a reverse osmosis process, in which raw water temperatures from 40 ° C to 45 ° C would be beneficial and already by the waste heat of the photovoltaic system can be achieved.
Wie beschrieben nutzt die vorliegende Erfindung die Abwärme von Solarzellen bzw. einer Photovoltaikanlage, um das aufzubereitende Wasser direkt oder indirekt zu erwärmen und somit einen optimierten Betrieb der Aufbereitungs- oder Entsalzungsanlage zu ermöglichen. Unter Beibehaltung dieses Vorteils ermöglicht die Erfindung weiterhin, die Photovoltaikanlage durch das zu entsalzende bzw. aufzubereitende Wasser zu kühlen und damit gleichzeitig den Betrieb der Photovoltaikanlage zu optimieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ermöglicht, dass das zu entsalzende bzw. das aufzubereitende bzw. das zu reinigende Wasser die Photovoltaik-Anlage kühlt.As described, the present invention uses the waste heat of solar cells or a photovoltaic system to the reprocessed To heat water directly or indirectly and thus one optimized operation of the treatment or desalination plant enable. While retaining this advantage allows the invention further, the photovoltaic system by desalzendes or to be treated water to cool and thus simultaneously to optimize the operation of the photovoltaic system. In a preferred Embodiment is allowed to be desalted or the water to be treated or cleaned, the photovoltaic system cools.
Durch die Kühlung der Photovoltaik-Anlage mit dem kälteren Rohwasser kann deren Effektivität gewährleistet und ihr Wirkungsgrad konstant gehalten werden.By the cooling of the photovoltaic system with the colder Raw water can ensure their effectiveness and their efficiency is kept constant.
In einer Ausführungsform umfasst das System einen Energiepuffer, der mit der Photovoltaik-Anlage gekoppelt und derart konfiguriert ist, Temperaturschwankungen der Abwärme auszugleichen.In In one embodiment, the system comprises an energy buffer, which is coupled to the photovoltaic system and configured in such a way is to compensate for temperature fluctuations of the waste heat.
Der Energiepuffer kann in Form eines Wärmespeichers vorliegen, wobei der Wärmespeicher gegebenenfalls überschüssige Wärmeenergie von der Photovoltaik-Anlage speichert. Überschüssige Wärmeenergie kann z. B. dann vorliegen, wenn nicht die gesamte Abwärme für die Erwärmung einer bestimmten Menge an aufzubereitendem (z. B. zu entsalzendem) Wasser benötigt wird. Wärmespeicher können z. B. Langzeit- und/oder Kurzzeitspeicher sein. Langzeitspeicher können z. B. Heißwasser-Wärmespeicher (gedämmter Behälter mit Wasser) sein. Auch thermochemische (z. B. auf der Basis von Silicagel und/oder Zeolith) und Latent-Wärmespeicher (Salze oder Paraffine schmelzen bei Wärmezufuhr und geben genau diese empfangene Wärmeenergie beim Erstarren wieder ab) können als Langzeitspeicher verwendet werden. Kurzzeitspeicher speichern die Wärme nur für wenige Stunden oder Tage. Hierfür können z. B. selbstständig stehende Wasser-Speicher-Behälter oder thermochemische Wärmespeicher wie oben beschrieben eingesetzt werden.The energy buffer can be in the form of a heat accumulator, wherein the heat accumulator optionally stores excess heat energy from the photovoltaic system. Excess heat energy can z. B. be present if not all the waste heat for the heating of a certain amount to be reprocessed (eg., To be desalinated) water is needed. Heat storage can z. B. long-term and / or temporary storage. Long-term storage can z. B. hot water heat storage (insulated container with water). Also thermochemical (eg on the basis of silica gel and / or zeolite) and latent heat storage (salts or paraffins melt when supplied with heat and give exactly this received heat energy on solidification again) can be used as long-term storage. Short term storage stores heat only for a few hours or days. For this purpose, for. As self-standing water storage tank or thermochemical heat storage as described above be set.
Somit kann der Wärmespeicher gegebenenfalls die Photovoltaik-Anlage bei der Erwärmung besonders kühlen Rohwassers unterstützen und Temperaturschwankungen auf einfache Weise ausgleichen.Consequently if necessary, the heat accumulator can be the photovoltaic system when heating particularly cool raw water support and temperature fluctuations in a simple way compensate.
In einer Ausführungsform umfasst das System einen Zwischenspeicher für das erwärmte Wasser. Zum Beispiel kann erwärmtes Wasser aus dem Zwischenspeicher an die Membran-Einheit geführt werden, insbesondere wenn zu entsalzendes Wasser bzw. aufzubereitendes Wasser nicht schnell genug und/oder in nicht ausreichender Menge von der Photovoltaik-Anlage erwärmt werden kann.In In one embodiment, the system comprises a cache for the heated water. For example, heated Water is led out of the buffer to the membrane unit, in particular if water to be desalinated or water to be treated not fast enough and / or in insufficient amount from the photovoltaic system can be heated.
Auf diese Weise können Schwankungen in der Wasserversorgung der Membran-Einheit verringert werden.On This way can cause fluctuations in the water supply the membrane unit can be reduced.
In einer Ausführungsform umfasst das System eine Batterie (Akkumulator) zum Speichern bzw. Zwischenspeichern von elektrischer Energie. Zum Beispiel kann ein Teil der durch die Photovoltaik-Anlage erhaltenen/erzeugten elektrischen Energie in der Batterie gespeichert werden. Insbesondere bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung auf die Photovoltaik-Anlage kann zum Betrieb des Systems benötigte elektrische Energie der Batterie entnommen werden.In In one embodiment, the system comprises a battery (Accumulator) for storing or caching electrical Energy. For example, part of the photovoltaic system received / generated electrical energy stored in the battery become. Especially with insufficient solar radiation on the photovoltaic system may need to operate the system electrical energy can be taken from the battery.
Auf diese Weise können insbesondere Schwankungen in der Stromversorgung des Systems verringert werden. In einer besonderen Ausführungsform kann somit auch ein im Wesentlichen konstanter Betriebsdruck erreicht werden.On This way, in particular, fluctuations in the power supply of the system. In a particular embodiment Thus, a substantially constant operating pressure can be achieved become.
In einer Ausführungsform umfasst das System einen Wärmetauscher. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher geeignet sein, das Rohwasser vor dem Eintritt in die Photovoltaik-Anlage vorzuwärmen, und/oder erwärmtes Wasser, insbesondere vor und/oder nach der Aufbereitung/Entsalzung z. B. zur Kühlung der Photovoltaik-Anlage zu verwenden.In In one embodiment, the system comprises a heat exchanger. For example, the heat exchanger may be suitable, the Preheat raw water before entering the photovoltaic system, and / or heated water, especially before and / or after treatment / desalination z. B. to use for cooling the photovoltaic system.
Auf diese Weise kann die Effizienz des Systems weiter gesteigert werden. Auch kann auf diese Weise eine Kühlung mit Süßwasser realisiert werden, wenn zur Kühlung Süß- oder bereits entsalztes Wasser an die Photovoltaik-Anlage geführt wird. Das zu entsalzende Wasser wird dann vorzugsweise in einem Wärmetauscher durch das erwärmte Kühlwasser erwärmt. Insbesondere kann Wasser, das durch die PV/T-Anlage erwärmt wurde, das Rohwasser, vorzugsweise über den Wärmetauscher, erwärmen.On this way, the efficiency of the system can be further increased. Also, this way can be cooled with fresh water be realized when cooling or already desalinated water led to the photovoltaic system becomes. The water to be desalinated is then preferably in a Heat exchanger through the heated cooling water heated. In particular, water can pass through the PV / T facility was heated, the raw water, preferably over Heat the heat exchanger.
In einer Ausführungsform sind Komponenten des Systems insbesondere aus einem salzwasserresistenten Material wie einem Kunststoff hergestellt (beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Polytetrafuorethylen (PTFE), Kunstharz, uvm.; auch Kunststoffe mit Füllstoffen wie z. B. Metalle oder Keramiken zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes sind denkbar) und/oder mit diesem zumindest teilweise beschichtet und/oder entsprechend behandelt. Diese Komponenten können zum Beispiel Komponenten des Systems sein, die mit Salzwasser in Kontakt kommen, insbesondere Schläuche, Zuleitungen usw..In In one embodiment, components of the system are in particular made of a salt water resistant material such as a plastic (e.g. Polypropylene, polyethylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), synthetic resin, and much more .; also plastics with fillers such. For example metals or ceramics for increasing the thermal conductivity the plastic are conceivable) and / or at least partially with this coated and / or treated accordingly. These components can For example, be components of the system that use salt water in Contact, in particular hoses, supply lines, etc.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Wasserentsalzung. Das Verfahren umfasst den folgenden Schritt: (a) Erwärmen des zu entsalzenden Wassers mit der Abwärme einer Photovoltaik-Anlage.The The present invention also relates to a process for desalination of water. The method comprises the following step: (a) heating of the water to be desalinated with the waste heat of a photovoltaic system.
In besonderen Ausführungsformen des Verfahrens gelten die obigen Beschreibungen und Erläuterungen der Merkmale des erfindungsgemäßen Systems und das im obigen Zusammenhang erläuterte Konzept der Erfindung ebenso für das hier und im Folgenden beschriebene erfindungsgemäße Verfahren.In particular embodiments of the method are the above descriptions and explanations of the characteristics of inventive system and in the above context explained concept of the invention as well for the Inventive here and hereinafter described Method.
In einer Ausführungsform liefert die Photovoltaik-Anlage zur Wasserentsalzung notwendige elektrische Energie, also z. B. die zum Betrieb des Wasseraufbereitungssystems (z. B. des Systems zur Wasserentsalzung) notwendige elektrische Energie.In In one embodiment, the photovoltaic system provides for Desalination of water necessary electrical energy, ie z. B. the for operation of the water treatment system (eg the desalination system) necessary electrical energy.
Die von der Photovoltaik-Anlage generierte elektrische Energie kann zum Beispiel dazu verwendet werden, das zu entsalzende Wasser z. B. über Leitungen mittels Pumpen an die Photovoltaik-Anlage zu bringen, wo das Wasser vorgewärmt wird. Weiter kann der von der Photovoltaik-Anlage generierte Strom dazu dienen, andere System-Komponenten, wie z. B. die Membran-Einheit, zu versorgen, um die eigentliche Wasseraufbereitung/-entsalzung des vorgewärmten Wassers durchzuführen.The from the photovoltaic system generated electrical energy can For example, to be used to demineralized water z. B. via lines by means of pumps to the photovoltaic system to bring where the water is preheated. Next can the electricity generated by the photovoltaic system should serve others System components, such as B. the membrane unit to supply, to the actual water treatment / desalination of the preheated To carry out water.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den folgenden Schritt: (b) Verringern des Salzgehalts des erwärmten Wassers in einer Membran-Einheit.In In one embodiment, the method comprises the following Step: (b) Reduce the salt content of the heated water in a membrane unit.
In einer Ausführungsform wird in Schritt (b) das erwärmte Wasser unter einem hohen Druck durch eine semipermeable Membran gefiltert.In In one embodiment, in step (b), the heated Water under high pressure through a semipermeable membrane filtered.
Zum Beispiel kann das erwärmte Wasser in einem Umkehrosmose-Verfahren aufbereitet bzw. entsalzt werden.To the Example, the heated water in a reverse osmosis process be prepared or desalted.
In einer Ausführungsform wird in Schritt (b) Wasserdampf des erwärmten Wassers durch eine semipermeable hydrophobe Membran von salzhaltigem Wasser getrennt.In In one embodiment, in step (b) steam of the heated water through a semi-permeable hydrophobic membrane separated from saline water.
Zum Beispiel kann das erwärmte Wasser in einem Membran-Destillations-Verfahren aufbereitet bzw. entsalzt werden.To the Example may be the heated water in a membrane distillation process be prepared or desalted.
In einer Ausführungsform wird die Temperatur des erwärmten Wassers anhand eines Energie-Puffers an der Photovoltaik-Anlage kontrolliert und/oder eingestellt.In In one embodiment, the temperature of the heated Water using an energy buffer on the photovoltaic system controlled and / or adjusted.
Zum Beispiel kann der Energiepuffer mit der Photovoltaik-Anlage gekoppelt sein. Ferner kann der Energiepuffer derart konfiguriert sein, Temperaturschwankungen der Abwärme auszugleichen, um damit die Temperatur des erwärmten Wassers zu kontrollieren und/oder (auf einen bestimmten Wert) einzustellen.To the For example, the energy buffer can be coupled with the photovoltaic system be. Further, the energy buffer may be configured to vary temperature to compensate for the waste heat, thereby reducing the temperature of the heated water and / or (on a certain value).
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, das mindestens ein computerlesbares Medium mit auf einem Computer ablaufbaren Instruktionen zur Ausführung der oben diskutierten Verfahrensschritte umfasst.The The present invention also relates to a computer program product. the at least one computer-readable medium executable on a computer Instructions for carrying out the method steps discussed above includes.
Zum Beispiel kann das Computerprogrammprodukt ein Computerprogramm umfassen, das geeignet ist, den Ablauf der Wasseraufbereitung zu steuern und/oder zu kontrollieren. In einer Ausführungsform kann das Computerprogramm die Funktionsweise des Systems mit Photovoltaik-Anlage und gegebenenfalls auch mit Membran-Einheit steuern und/oder kontrollieren. Zum Beispiel kam bei Ablauf des Computerprogramms die Photovoltaik-Anlage derart gesteuert werden, dass Solarzellenmodule zu bestimmten Zeitpunkten ein- oder ausgeschaltet werden, dass der generierte Strom für weitere Mittel in dem System (z. B. für eine Pumpen-Anlage) verwendet wird und dass das erwärmte Wasser die Membran-Einheit erreicht und dort entsprechend aufbereitet und gegebenenfalls im Anschluss weiter behandelt wird. In einer Ausführungsform kann das Computerprogrammprodukt geeignet sein, bestimmte, sich in dem System befindende Sensoren anzusteuern, um z. B. Daten über die Temperatur und/oder den Salzgehalt des erwärmten Wassers und/oder des Rohwassers zu erhalten und in Abhängigkeit von diesen einen bestimmten Ablauf des Verfahrens zur Wasseraufbereitung festzulegen.To the For example, the computer program product may include a computer program, which is suitable to control the flow of water treatment and / or to control. In one embodiment, the computer program the functioning of the system with photovoltaic system and, if necessary also with membrane unit control and / or control. For example came at the end of the computer program, the photovoltaic system so be controlled that solar cell modules at certain times be turned on or off, that the generated electricity for additional means in the system (eg for a pump system) is used and that the heated water is the membrane unit reached and there prepared accordingly and if necessary afterwards is treated further. In one embodiment, the Computer program product may be suitable for use in the system to control located sensors to z. B. Data about the Temperature and / or the salt content of the heated water and / or the raw water and depending on from this one particular process of the water treatment process set.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner den Einsatz von PV/T-Systemen sowohl zur elektrischen Energieversorgung der für eine Anlage zur Wasseraufbereitung auf Basis der Membrantechnologie nötigen Maschinen, zu deren Betrieb elektrischer Strom benötigt wird, als auch zur Vorheizung des Rohwassers, um eine optimale Betriebstemperatur und damit die größtmögliche Leistungsfähigkeit der Membranen zu garantieren.The The present invention further relates to the use of PV / T systems both to the electrical power supply for a Plant for water treatment based on the membrane technology necessary Machines that require electrical power to operate is, as well as for preheating the raw water, to an optimum operating temperature and thus the greatest possible performance to guarantee the membranes.
Zur
Illustration, wie zum Beispiel eine PV/T-betriebene Umkehrosmoseanlage
aufgebaut sein kann, soll
Für
den Umkehrosmoseprozess sind die Membranen der Grundbaustein
Eine
Variante, Energie zurückzugewinnen, ist hier mit dem Wärmetauscher
In Großanlagen wird häufig eine zweite Form der Energierückgewinnung genutzt: Die Druckrückgewinnung – sie ist aufgrund hoher Investitionskosten nur in Großanlagen wirtschaftlich rentabel. Mit derartigen Systemen sind Energieeinsparungen von 65 bis 75% möglich. Rechnet man den Mehrertrag an Permeatstrom durch die Verwendung von PV/T-Systemen in eine vergleichbare Energieeinsparung um, lässt sich ein Mehrertrag von 35% als eine Energierückgewinnung von 25% interpretieren. PV/T-Systeme erreichen damit zwar nicht die Dimensionen von Druckrückgewinnungssystemen, das Ergebnis ist aber dennoch sehr vielversprechend. Der Gedanke liegt nun nahe, dass PV/T-Systeme genau dort eingesetzt werden können, wo Druckrückgewinnungssysteme unrentabel werden – nämlich vor allem bei energieautarken Kleinanlagen.In large plants, a second form of energy recovery is often used: The pressure recovery - it is due to high investment costs only in large plants economically viable. With such systems, energy savings of 65 to 75% are possible. If the excess yield of permeate stream is converted into comparable energy savings through the use of PV / T systems, an additional yield of 35% can be interpreted as energy recovery of 25%. PV / T Syste Although this does not reach the dimensions of pressure recovery systems, the result is nevertheless very promising. The idea now suggests that PV / T systems can be used exactly where pressure recovery systems become unprofitable - especially in energy-self-sufficient small plants.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Bezeichnungsliste Fig. 1:
- 0
- Meerwasser/aufzubereitendes Wasser/Brackwasser (bspw. aus einem Tiefbrunnen, einem Reservoir oder direkt aus dem offenen Meer)
- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Wasservorbehandlung (Filtration, Säurezugabe, und/oder Anti-Scalants, usw.)
- 3
- PV/T-Systeme
- 4
- Thermische Solarkollektoren
- 5
- Warmwasserbehälter
- 6
- Batterie(n)/Akkumulator(en)
- 7
- Pumpe (z. B. 60 bar)
- 8
- Umkehrosmoseeinheiten (Membranen)
- 9
- Permeat
- 10
- Konzentrat
- 11
- Wassernachbehandlung (Zugabe von Mineralien, PH-Wertkorrektur, usw.)
- 12
- Trinkwasser
- 0
- Sea water / water / brackish water (eg from a deep well, a reservoir or directly from the open sea)
- 1
- heat exchangers
- 2
- Water pre-treatment (filtration, acid addition, and / or anti-scalants, etc.)
- 3
- PV / T systems
- 4
- Thermal solar collectors
- 5
- Hot water tank
- 6
- Battery (n) / accumulator (s)
- 7
- Pump (eg 60 bar)
- 8th
- Reverse osmosis units (membranes)
- 9
- permeate
- 10
- concentrate
- 11
- Water after-treatment (addition of minerals, pH correction, etc.)
- 12
- Drinking water
Auch
in
Wie
in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Bezeichnungsliste Fig. 2:
- 20
- Meerwasser/aufzubereitendes Wasser/Brackwasser (bspw. aus einem Tiefbrunnen, einem Reservoir oder direkt aus dem offenen Meer)
- 21
- Wasservorbehandlung (Filtration, Säurezugabe, und/oder Anti-Scalants, usw.)
- 22
- Photovoltaik-Anlage, vorzugsweise PV/T-System
- 23
- Warmwasserbehälter
- 24
- Batterie(n)/Akkumulator(en)
- 25
- Pumpe (z. B. 60 bar)
- 26
- Umkehrosmoseeinheiten (Membranen)
- 27
- Permeat
- 28
- Wassernachbehandlung (Zugabe von Mineralien, PH-Wertkorrektur, usw.)
- 29
- Trinkwasser
- 30
- Konzentrat
- 20
- Sea water / water / brackish water (eg from a deep well, a reservoir or directly from the open sea)
- 21
- Water pre-treatment (filtration, acid addition, and / or anti-scalants, etc.)
- 22
- Photovoltaic system, preferably PV / T system
- 23
- Hot water tank
- 24
- Battery (n) / accumulator (s)
- 25
- Pump (eg 60 bar)
- 26
- Reverse osmosis units (membranes)
- 27
- permeate
- 28
- Water after-treatment (addition of minerals, pH correction, etc.)
- 29
- Drinking water
- 30
- concentrate
Die detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung und v. a. die Ausführungsformen dienen im Wesentlichen der Illustration und sind beispielhaft und nicht restriktiv zu verstehen. Merkmale, die in Zusammenhang mit einer bestimmten Ausführungsform oder einem Unteranspruch beschrieben sind, können auch dann von Vorteil sein, wenn sie als Merkmale für andere beschriebene Ausführungsformen oder auch nicht beschriebene Alternativen und/oder Äquivalente oder andere Unteransprüche dienen, auch wenn sie in deren Zusammenhang nicht explizit beschrieben wurden. Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen und der beanspruchten Gegenstände werden von der Erfindung ebenso miterfasst, wie ein Fachmann auf diesem technischen Gebiet beim Lesen der Beschreibung und beim Studieren der Figuren und der Patentansprüche dies erkannt hätte. Das Verb ”umfassen” bedeutet in der Beschreibung und den Patentansprüchen, dass weitere Elemente und/oder Verfahrensschritte vorliegen können, und der unbestimmte Artikel „ein” schließt den Plural nicht aus.The Detailed description of the present invention and v. a. the Embodiments are essentially illustrative and are exemplary and not restrictive to understand. Features that in connection with a particular embodiment or a Under claim are described, can also be beneficial when they are considered features for other described embodiments or not described alternatives and / or equivalents or other subclaims, even if they are in their Context were not explicitly described. amendments and modifications of the described embodiments and The claimed subjects are covered by the invention as well as a person skilled in the art while reading the description and studying the figures and the claims this would have recognized. The verb "to include" means in the description and the claims that further Elements and / or process steps may be present and the indefinite article "a" closes the plural is not enough.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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