DE102010016163A1 - System zur Nutzung von Solarenergie - Google Patents

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Abstract

Es wird ein System zur Nutzung von Solarenergie (1) bereitgestellt, mit: zumindest einem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (2), zumindest einem Erdwärmespeicher (3) und zumindest einem thermoelektrischen Generator (7) zur Bereitstellung elektrischer Leistung basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Seite (7a) und einer zweiten Seite (7b) des thermoelektrischen Generators (7). Der zumindest eine thermoelektrische Generator (7) ist derart angeordnet, dass dessen erste Seite (7a) in thermischem Kontakt mit dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (2) angeordnet ist und dessen zweite Seite (7b) in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher (3) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Nutzung von Solarenergie und ein Verfahren zum Aufrüsten eines Systems zur Nutzung von Solarenergie.
  • Systeme zur Nutzung von Solarenergie erfreuen sich in den letzten Jahren bei Gebäuden zu Wohn- und/oder Arbeitszwecken immer größerer Beliebtheit. Bei derartigen Systemen wird die Strahlungsenergie der Sonne genutzt, um entweder Wärme für eine weitere Verwendung, wie z. B. eine Brauch- oder Heizungswassererwärmung, oder elektrische Leistung zu gewinnen. Bei der Wärmegewinnung kommen dabei üblicherweise thermische Solarkollektoren zum Einsatz, bei denen die Wärmestrahlung auf ein zu erwärmendes Wärmeträgermedium übertragen wird, mittels dem die gesammelte Wärme in einen Speicher gefordert wird. Bei der Gewinnung von elektrischer Leistung kommen üblicherweise Photovoltaikmodule zum Einsatz, bei denen die Strahlungsleistung der Sonne unter Nutzung des photoelektrischen Effekts zu einem Teil unmittelbar in elektrische Leistung umgesetzt wird. Da bei bekannten Photovoltaikmodulen der erzielbare Wirkungsgrad mit steigender Temperatur des Photovoltaikmoduls in der Regel sinkt, ist es bekannt, einen Fluidkreislauf (z. B. einen Kühlflüssigkeitskreislauf) zum Abführen von Wärme von dem Photovoltaikmodul vorzusehen.
  • Insbesondere zur Beheizung von Gebäuden kommen heutzutage ferner auch Wärmepumpensysteme zum Einsatz, die unter Einsatz von Arbeit (z. B. durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor) Wärme von einem als Wärmequelle dienenden Bereich auf einen zu beheizenden Bereich übertragen. Dabei kann der zu beheizende Bereich z. B. durch einen Flüssigkeitsvorrat in einem Pufferspeicher gebildet sein. Bei derartigen Wärmepumpensystemen ist es erforderlich, dass der als Wärmequelle dienende Bereich eine große Wärmekapazität aufweist, sodass dessen Temperatur auch bei einem langandauernden Betrieb der Wärmepumpe im Wesentlichen konstant bleibt bzw. nur langsam absinkt. Als Wärmequellen für derartige Wärmepumpensysteme kommen neben Umgebungsluft insbesondere Erdwärmespeicher zum Einsatz. Unter Erdwärmespeicher werden dabei insbesondere sogenannte Erdwärmekollektoren, Erdwärmekörbe, Erdwärmesonden und Grund- oder Brunnenwassersonden verstanden, bei denen ein unterirdischer Bereich aus Erde, Gestein und/oder Flüssigkeit, etc. dazu genutzt wird, die Wärme bereitzustellen bzw. zu speichern. Erdwärmekollektoren weisen dabei in der Regel in geringer Tiefe (typischerweise zwischen 1 m und 1,5 m tief) weitestgehend horizontal verlegte Rohr- bzw. Schlauchschleifen auf, die mit einer Flüssigkeit gefüllt sind und mit dem umgebenden Erdreich bzw. Gestein in thermischem Kontakt stehen, sodass Wärme zwischen dem Erdreich/Gestein und der Flüssigkeit übertragen wird. Erdwärmesonden weisen hingegen in der Regel weitestgehend vertikal in größere Tiefen (typischerweise zwischen 50 m und 400 m tief) eingebrachte Rohre oder Schläuche auf, die ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt sind, die mit dem umgebenden Erdreich bzw. Gestein in wärmetauschendem Kontakt steht. Die sogenannten Erdwärmekörbe sind ähnlich wie Erdwärmekollektoren aufgebaut, jedoch sind die Rohre bzw. Schläuche nicht derart großflächig ausgebreitet, sondern z. B. in einer im Wesentlichen spiralförmigen Anordnung mit auch vertikaler Erstreckung und geringerer horizontaler Erstreckung angeordnet. Bei Grund- oder Brunnenwassersonden steht üblicherweise eine ebenfalls in Rohren oder Schläuchen angeordnete Flüssigkeit mit dem Grundwasser oder einer Quelle in wärmetauschendem Kontakt. Bei all diesen Realisierungen ist ein Bereich mit großer Gesamtwärmekapazität bereitgestellt, der über relativ lange Zeit auch bei Wärmeentnahme ein weitestgehend konstantes Temperaturniveau bereitstellt.
  • DE 10 2008 036 712 A1 beschreibt eine Anordnung zur Bereitstellung von warmer Brauchwasser mit einem einen Solarkollektor aufweisenden Solarkreislauf und einem Solekreislauf, der eine Einrichtung zur Sammlung von Erdwärme aufweist. Es ist eine Wärmepumpe zur Übertragung von Wärme von dem Solekreislauf auf zu erwärmendes Brauchwasser vorgesehen.
  • Es ist ferner bekannt, existierende Temperaturunterschiede unter Nutzung thermoelektrischer Generatoren (unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effektes/Seebeck-Effektes) zur Bereitstellung von elektrischer Leistung zu nutzen.
  • DE 10 2006 023 616 A1 beschreibt ein System zur Gewinnung von Sonnenenergie durch Nutzung des thermoelektrischen Effekts.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Nutzung von Solarenergie bereitzustellen, dass eine besonders effiziente Nutzung von thermischer Solarenergie ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird durch ein System zur Nutzung von Solarenergie nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das System zur Nutzung von Solarenergie weist auf zumindest ein Modul zum Aufnehmen von Solarenergie, zumindest einen Erdwärmespeicher, und zumindest einen thermoelektrischen Generator zur Bereitstellung elektrischer Leistung basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Seite und einer zweiten Seite des thermoelektrischen Generators. Der zumindest eine thermoelektrische Generator ist derart angeordnet, dass dessen erste Seite in thermischem Kontakt mit dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie angeordnet ist und dessen zweite Seite in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher angeordnet ist.
  • Unter einem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie werden vorliegend insbesondere thermische Solarkollektoren und fluidgekühlte Photovoltaikmodule verstanden. Unter einem Erdwärmespeicher werden dabei Systeme verstanden, bei denen ein unterirdischer Bereich aus Erde, Gestein und/oder Flüssigkeit, etc. dazu genutzt wird, Wärme bereitzustellen bzw. zu speichern. Der zumindest eine Erdwärmespeicher ist dabei bevorzugt dazu ausgebildet, als eine Wärmequelle für eine Wärmepumpe zu dienen. Als Erdwärmespeicher können insbesondere bevorzugt Erdwärmekollektoren, Erdwärmekörbe und/oder Erdwärmesonden zum Einsatz kommen, unter Umständen auch Grundwassersonden. Unter einem thermoelektrischen Generator wird ein System verstanden, dass unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effekts elektrische Leistung bereitstellt. Als thermoelektrische Generatoren können insbesondere bekannte Peltier-Elemente zum Einsatz kommen. Unter „in thermischem Kontakt” wird dabei verstanden, dass eine unmittelbare oder mittelbare Wärmeübertragung zwischen den jeweiligen Komponenten realisiert ist. Eine mittelbare Wärmeübertragung kann dabei insbesondere über ein zwischengeschaltetes Wärmeträgerfluid, insbesondere eine Wärmeträgerflüssigkeit, realisiert sein. Als eine geeignete Wärmeträgerflüssigkeit kann z. B. Wasser, gegebenenfalls mit weiteren Zusätzen wie z. B. Glykol, etc., zum Einsatz kommen. Durch die Anordnung des thermoelektrischen Generators in thermischem Kontakt mit dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie, kann aufgenommene thermische Solarenergie auch effizient zur Bereitstellung von elektrischer Energie genutzt werden. Das hohe, mit thermischer Solarenergie erreichbare Temperaturniveau kann dabei als Wärmequelle für die „Warmseite” des thermoelektrischen Generators genutzt werden. Durch die Anordnung der zweiten Seite des thermoelektrischen Generators in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher ist dabei ein im Betrieb über eine sehr lange Zeitdauer weitestgehend konstantes Temperaturniveau für die „Kaltseite” des thermoelektrischen Generators bereitgestellt, sodass auch über lange Zeiten ein Betrieb des thermoelektrischen Generators ermöglicht ist, ohne dass eine nennenswerte Erwärmung der „Kaltseite” auftritt. Durch die Nutzung des zumindest einen Moduls zum Aufnehmen von Solarenergie und des Erdwärmespeichers können bei bestehenden Systemen, z. B. in Niedrigenergiegebäuden, die einerseits zumindest ein Modul zum Aufnehmen von Solarenergie und andererseits einen Erdwärmespeicher, z. B. für eine Wärmepumpe, aufweisen, diese bestehenden Komponenten zusätzlich auch dazu genutzt werden, aus der thermischen Solarenergie elektrische Energie zu gewinnen. Es können dabei insbesondere bestehende Kreisläufe des Systems genutzt werden, sodass der thermoelektrische Generator ohne größere Anpassungen oder Eingriffe eingebunden werden kann.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist die erste Seite des thermoelektrischen Generators über einen ersten Fluidkreislauf in thermischem Kontakt mit dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie angeordnet. Der Fluidkreislauf kann dabei bevorzugt durch einen Flüssigkeitskreislauf gebildet sein. Insbesondere kann der erste Fluidkreislauf durch einen Flüssigkeitskreislauf gebildet sein, über den auch die aufgenommene thermische Solarenergie eines thermischen Solarkollektors zu einem oder mehreren Abnehmern (z. B. einem Pufferspeicher) transportiert wird oder über den unerwünschte Wärme von einem Photovoltaikmodul abgeführt wird. Das Fluid in dem Kreislauf kann dabei insbesondere durch eine Wärmeträgerflüssigkeit, z. B. Wasser mit Glykol oder anderen Zusätzen gebildet sein. Bei dieser Realisierung kann ein bestehender Fluidkreislauf, der auch zu anderen Zwecken vorgesehen ist, auch dazu genutzt werden, die „Warmseite” des thermoelektrischen Moduls auf der erforderlichen hohen Temperatur zu halten.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist der erste Fluidkreislauf dazu ausgebildet, im Bereich des Moduls zum Aufnehmen von Solarenergie aufgenommene thermische Solarenergie in einen Pufferspeicher zu übertragen. Der Pufferspeicher kann dabei z. B. als Pufferspeicher zur Brauchwasser- und/oder Heizungsflüssigkeitserwärmung ausgebildet sein. In diesem Fall wird der erste Fluidkreislauf effizient in einer Doppelfunktion genutzt. Bevorzugt ist dabei der thermoelektrische Generator zwischen dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie und dem Pufferspeicher, in einer Strömungsrichtung stromabwärts des Moduls zum Aufnehmen von Solarenergie und stromaufwärts des Pufferspeichers angeordnet. In diesem Fall ist sichergestellt, dass der thermoelektrische Generator mit dem hohen Temperaturniveau beaufschlagt wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist die zweite Seite des thermoelektrischen Generators über einen zweiten Fluidkreislauf in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher angeordnet. Der Fluidkreislauf kann dabei wiederum bevorzugt durch einen Flüssigkeitskreislauf gebildet sein.
  • Insbesondere kann der zweite Fluidkreislauf durch einen Flüssigkeitskreislauf gebildet sein, über den auch Wärme von dem Erdwärmespeicher zu einer Wärmepumpe förderbar ist bzw. gefördert wird. Das Fluid in dem Kreislauf kann dabei wiederum insbesondere durch eine Wärmeträgerflüssigkeit, z. B. Wasser mit Glykol oder anderen Zusätzen, gebildet sein. Bei dieser Realisierung kann ein bestehender Fluidkreislauf, der auch zu anderen Zwecken vorgesehen ist, auch dazu genutzt werden, die „Kaltseite” des thermoelektrischen Moduls auf der erforderlichen niedrigen Temperatur zu halten.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist die zweite Seite des thermoelektrischen Generators über einen zweiten Fluidkreislauf in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher angeordnet und zwischen dem ersten Fluidkreislauf und dem zweiten Fluidkreislauf ist ein Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Fluidkreislauf und dem zweiten Fluidkreislauf vorgesehen. In diesem Fall können der erste und der zweite Fluidkreislauf auch noch in einer weiteren Funktion zum Einsatz kommen, bei dem diese Fluidkreisläufe ebenfalls in räumlicher Nähe zueinander geführt werden müssen, um eine Wärmeübertragung zwischen den beiden Fluidkreisläufen zu realisieren. In diesem Fall kann der Wärmetauscher z. B. auch dazu genutzt werden, die durch das Modul zum Aufnehmen von Solarenergie aufgenommene thermische Solarenergie in den zweiten Fluidkreislauf zu übertragen und somit den Erdwärmespeicher mit dieser Wärme „aufzuladen” oder die (elektrische oder mechanische) Energieaufnahme einer Wärmepumpe zu reduzieren. Dies kann z. B. insbesondere dann erfolgen, wenn überschüssige Wärme in dem ersten Fluidkreislauf zur Verfügung steht, vorhandene Pufferspeicher bereits vollständig auf ein hohes Temperaturniveau gebracht sind und keine Wärme für Abnehmer benötigt wird (insbesondere bei langer Sonneneinstrahlung bzw. im Sommer). Ferner kann dies z. B. dann erfolgen, wenn die Temperatur in dem ersten Fluidkreislauf nicht mehr für eine direkte Erwärmung ausreichend, aber immer höher als die Temperatur in dem zweiten Fluidkreislauf ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist der zweite Fluidkreislauf dazu ausgebildet, eine als Wärmequelle dienende Seite einer Wärmepumpe mit Wärme aus dem Erdwärmespeicher zu versorgen. In diesem Fall wird der zweite Fluidkreislauf effizient in einer Doppelfunktion genutzt. Bevorzugt ist dabei der thermoelektrische Generator zwischen dem Erdwärmespeicher und der Wärmepumpe, in einer Strömungsrichtung stromabwärts des Erdwärmespeichers und stromaufwärts der Wärmepumpe angeordnet. In diesem Fall wird die „Kaltseite” des thermoelektrischen Elements zuverlässig mit dem niedrigen Temperaturniveau des Erdwärmespeichers versorgt. Dieses niedrige Temperaturniveau wird dabei insbesondere auch in dem Fall bereitgestellt, bei dem zwischen dem ersten Fluidkreislauf und dem zweiten Fluidkreislauf ein Wärmetauscher vorgesehen ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung weist das zumindest eine Modul zum Aufnehmen von Solarenergie einen thermischen Solarkollektor auf. In diesem Fall kann die effizient aufgenommene thermische Solarenergie sowohl zum Erwärmen von z. B. Brauch- oder Heizungswasser als auch zusätzlich zum Erzeugen von elektrischer Energie genutzt werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung weist das zumindest eine Modul zum Aufnehmen von Solarenergie ein fluidgekühltes Photovoltaikmodul auf. In diesem Fall kann bei dem System mit zumindest einem Photovoltaikmodul nicht nur unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts elektrische Energie bereitgestellt werden, sondern zusätzlich auch die thermische Solarenergie unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effekts zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden. Dabei kann das Photovoltaikmodul effizient gekühlt werden, um einen hohen Leistungsgrad zu erzielen, und die thermische Energie kann zusätzlich genutzt werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung weist der zumindest eine Erdwärmespeicher einen Erdwärmekollektor und/oder eine Erdwärmesonde und/oder einen Erdwärmekorb und/oder eine Grund- oder Brunnenwassersonde auf. Der Erdwärmespeicher kann dabei auch mehrere der genannten Speicher aufweisen, die z. B. parallel oder in Reihe geschaltet oder wahlweise selektiv nutzbar sein können. In diesem Fall stellt der Erdwärmespeicher eine hohe Wärmekapazität zur Verfügung, sodass die zweite Seite des thermoelektrischen Generators zuverlässig über lange Zeiträume auf einer nahezu konstanten Temperatur gehalten werden kann. Bevorzugt weist der Erdwärmespeicher einen Erdwärmekollektor auf, da dieser eine hohe Wärmekapazität in kostengünstiger Weise bereitstellt.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Aufrüsten eines Systems zur Nutzung von Solarenergie nach Anspruch 10 gelöst, wobei das System aufweist: zumindest ein Modul zum Aufnehmen von Solarenergie und zumindest einen Erdwärmespeicher. Das Verfahren weist den Schritt auf: Einbinden eines thermoelektrischen Generators zur Bereitstellung elektrischer Leistung basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Seite und einer zweiten Seite des thermoelektrischen Generators derart, dass die erste Seite in thermischem Kontakt mit dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie und die zweite Seite in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher angeordnet wird. Mit dem Verfahren werden die Oberhalb in Bezug auf das System zur Nutzung von Solarenergie beschriebenen Vorteile erzielt. Mit dem Verfahren können insbesondere bestehende Systeme zur Nutzung von Solarenergie, die bereits über zumindest ein Modul zum Aufnehmen von Solarenergie und zumindest einen Erdwärmespeicher verfügen, in einfacher und kostengünstiger Weise derart aufgerüstet werden, dass die thermische Solarenergie auch effizient zur Erzeugung von elektrischer Energie nutzbar ist.
  • Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems zur Nutzung von Solarenergie.
  • AUSFÜHRUNGSFORM
  • Eine Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Bei dem schematisch dargestellten System zur Nutzung von Solarenergie 1 handelt es sich um ein System für ein Gebäude, insbesondere für ein Wohn- oder Bürogebäude.
  • Das System zur Nutzung von Solarenergie 1 weist ein Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 auf. Obwohl in 1 beispielhaft nur ein derartiges Modul dargestellt ist, kann auch eine Mehrzahl derartige Module vorgesehen sein. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 durch einen thermischen Solarkollektor gebildet. Es ist ferner ein Erdwärmespeicher 3 vorgesehen, der in dem Beispiel durch einen Erdwärmekollektor gebildet ist, der unterirdisch im Wesentlichen horizontal verlegte, von einer Flüssigkeit durchströmte Schleifen aufweist, die mit umgebendem Erdreich in thermischem Kontakt stehen. Es ist eine Wärmepumpe 4 vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, unter Einsatz von elektrischer oder mechanischer Energie aus einer Wärmequelle Wärme zu entnehmen und diese Wärme einem zu beheizenden Bereich zuzuführen. Bei dem dargestellten Beispiel ist der zu beheizende Bereich durch einen Pufferspeicher 5 gebildet, in dem ein Wärmespeichermedium (z. B. Wasser mit gegebenenfalls einem Zusatz oder mehreren Zusätzen) gespeichert ist. Die Wärmeübertragung von der Wärmepumpe 4 auf den Pufferspeicher 5 ist in 1 beispielhaft durch einen schematisch gezeigten Kreislauf 6 dargestellt. Der Pufferspeicher 5 kann z. B. durch einen bekannten Pufferspeicher für Brauchwasser, durch einen Pufferspeicher für Heizungswasser oder durch einen kombinierten Pufferspeicher für Brauch- und Heizungswasser gebildet sein. Dabei muss der Pufferspeicher 5 nicht Brauchwasser und/oder Heizungswasser als Wärmespeichermedium enthalten, sondern kann z. B. auch ein anderes Wärmespeichermedium enthalten und dazu ausgebildet sein, von diesem Wärmespeichermedium bei Bedarf Wärme auf Brauchwasser oder Heizungswasser zu übertragen (z. B. über geeignete Wärmetauscher). Dies kann dabei z. B. über den in 1 schematisch dargestellten Zulauf 5a und den Ablauf 5b und einen in dem Pufferspeicher 5 angeordneten Wärmetauscher erfolgen.
  • Es ist ferner ein thermoelektrischer Generator 7 vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, basierend auf einer Temperaturdifferenz unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effekts elektrische Leistung bereitzustellen. Der thermoelektrische Generator 7 kann dabei z. B. durch ein oder mehrere Peltierelemente gebildet sein. Der thermoelektrische Generator 7 weist dabei eine erste Seite 7a und eine zweite Seite 7b auf, die im Betrieb auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gehalten werden müssen, um elektrische Leistung bereitstellen zu können.
  • Die erste Seite 7a der thermoelektrischen Generators 7 ist in einen ersten Fluidkreislauf 8 eingebunden, in dem mithilfe einer Pumpe 9 ein Fluid über das Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 und die erste Seite 7a des thermoelektrischen Generators 7 zirkulierbar ist. Das Fluid kann dabei z. B. durch das üblicherweise in einem thermischen Solarkollektor zirkulierte Wasser-Glykol-Gemisch oder ähnliches gebildet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind in dem ersten Fluidkreislauf 8 ferner zwei Dreiwegeventile 10a und 10b angeordnet, die über eine (nicht dargestellte) Steuerung des Systems derart ansteuerbar sind, dass das in dem ersten Fluidkreislauf 8 zirkulierte Fluid wahlweise über einen in dem Pufferspeicher 5 angeordneten Wärmetauscher 11 oder unter dessen Umgehung zirkulierbar ist.
  • Die zweite Seite 7b des thermoelektrischen Generators 7 ist in einen zweiten Fluidkreislauf 12 eingebunden, in dem mithilfe einer weiteren Pumpe 13 ein weiteres, gegebenenfalls von dem Fluid in dem ersten Fluidkreislauf 8 verschiedenes Fluid zirkulierbar ist. Das Fluid in dem zweiten Fluidkreislauf kann z. B. ebenfalls durch Wasser mit gegebenenfalls einem oder mehreren Zusätzen gebildet sein. In dem zweiten Fluidkreislauf 12 ist das Fluid über den Erdwärmespeicher 3, die zweite Seite 7b des thermoelektrischen Generators 7 und die als Wärmequelle dienende Seite der Wärmepumpe 4 zirkulierbar.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden das System zur Nutzung von Solarenergie 1, der erste Fluidkreislauf 8 und der zweite Fluidkreislauf 12 lediglich schematisch beschrieben und es werden nur Komponenten beschrieben, die im Rahmen dieser Beschreibung relevant sind. Es ist jedoch zu beachten, dass insbesondere in den Fluidkreisläufen auch weitere Komponenten vorgesehen sein können und auch Schnittstellen bzw. Verbindungen (z. B. über Ventile) zu einem oder mehreren weiteren Kreisläufen vorgesehen sein können.
  • Im Folgenden wird ein Betrieb des Systems zur Nutzung von Solarenergie 1 beschrieben. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung und/oder genügend hoher Umgebungswärme wird das Fluid in dem ersten Fluidkreislauf 8 im Bereich des Moduls zum Aufnehmen von Solarenergie 2 auf eine (relativ) hohe Temperatur erwärmt. Das erwärmte Fluid wird durch die Pumpe 9 gefördert und gelangt zu der ersten Seite 7a des thermoelektrischen Generators 7. In dieser Weise wird die erste Seite 7a des thermoelektrischen Generators 7 auf einem hohen Temperaturniveau gehalten.
  • Stromabwärts des thermoelektrischen Generators 7 wird das erwärmte Fluid mittels der Dreiwegeventile 10a und 10b über den Wärmetauscher 11 in dem Pufferspeicher 5 geleitet, sofern die Temperatur des erwärmten Fluids höher als die Temperatur in dem entsprechenden Bereich des Pufferspeichers 5 ist. In diesem Fall wird in dem Pufferspeicher 5 Wärme von dem erwärmten Fluid auf das in dem Pufferspeicher 5 befindliche Wärmeträgermedium übertragen, sodass das letztere erwärmt wird. Anschließend wird das Fluid in dem ersten Fluidkreislauf 8 wieder zu dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie gefördert. Falls die Temperatur in dem entsprechenden Bereich des Pufferspeichers 5 bereits gleich der oder höher als die Temperatur des erwärmten Fluids ist, wird das Fluid unter Umgehung des Wärmetauschers 11 über die Pumpe wieder zurück zu dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 zirkuliert. Die Erfassung der Temperaturen kann dabei z. B. über in dem Pufferspeicher 5 und in dem ersten Fluidkreislauf 8 angeordnete geeignete Temperatursensoren erfolgen (nicht dargestellt), die mit der Steuerung des Systems verbunden sind.
  • Die zweite Seite 7b des thermoelektrischen Generators 7 wird über das in dem zweiten Fluidkreislauf 12 zirkulierte Fluid auf einem niedrigeren Temperaturniveau gehalten als die erste Seite 7a. Dazu wird das Fluid in dem zweiten Fluidkreislauf 12 mittels der weiteren Pumpe 13 von dem Erdwärmespeicher 3 zu der zweiten Seite 7b des thermoelektrischen Generators 7 gefördert, sodass die zweite Seite 7b in etwa auf dem Temperaturniveau des Erdwärmespeichers 3 gehalten wird. Stromabwärts des thermoelektrischen Generators 7 wird das Fluid in dem zweiten Fluidkreislauf 12 zu der Wärmepumpe 4 gefördert, die – bei Bedarf- dem Fluid Wärme entzieht, um die Wärme dem Pufferspeicher 5 zuzuführen. Falls die Wärmepumpe 4 nicht in Betrieb ist, erfolgt an dieser Stelle keine Wärmeentnahme aus dem in dem zweiten Fluidkreislauf 12 zirkulierten Fluid. Stromabwärts der Wärmepumpe 4 wird das Fluid in dem zweiten Fluidkreislauf 12 wieder zu dem Erdwärmespeicher 3 zurückgeführt. In dem Erdwärmespeicher 3 nimmt das Fluid wieder im Wesentlichen die Temperatur des Erdwärmespeichers 3 an.
  • Aufgrund des bereitgestellten Temperaturunterschieds zwischen der ersten Seite 7a und der zweiten Seite 7b des thermoelektrischen Generators 7, stellt dieser eine elektrische Leistung bereit, die z. B. bei Bedarf direkt in dem System genutzt werden kann, in einem Speicher für elektrische Energie (z. B. einem Akku) gespeichert werden kann oder in ein elektrisches Netz (z. B. das öffentliche Stromnetz) eingespeist werden kann. Um dies zu ermöglichen, ist der thermoelektrische Generator 7 in bekannter Weise mit einer entsprechenden (nicht dargestellten) Schaltung versehen. Mit dem beschriebenen System können z. B. bei Sonneneinstrahlung auf das Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 Temperaturdifferenzen in einer Größenordnung von 60°C bis 75°C zwischen der ersten Seite 7a und der zweiten Seite 7b des thermoelektrischen Generators 7 über lange Zeiträume aufrechterhalten werden. Diese Temperaturdifferenzen ermöglichen eine effiziente Bereitstellung von elektrischer Leistung durch den thermoelektrischen Generator 7.
  • Aufgrund der thermischen Ankopplung der ersten Seite 7a des thermoelektrischen Generators 7 an das Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 (über den ersten Fluidkreislauf 8) wird die erste Seite 7a somit gut an das Temperaturniveau des Moduls zum Aufnehmen von Solarenergie 2 angekoppelt. Aufgrund der thermischen Ankopplung der zweiten Seite 7b des thermoelektrischen Generators 7 an den Erdwärmespeicher 3 (über den zweiten Fluidkreislauf 12) wird die zweite Seite 7b gut an das Temperaturniveau des Erdwärmespeichers 3 angekoppelt. Aufgrund der hohen Wärmekapazität des Erdwärmespeichers 3 wird in dieser Weise eine Temperaturdifferenz über den thermoelektrischen Generator 7 zuverlässig über einen langen Zeitraum aufrechterhalten.
  • Bei dem beschriebenen Beispiel wird die thermische Solarenergie einerseits direkt als Wärme genutzt und in dem Pufferspeicher 5 gespeichert und andererseits auch unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effekts zu einem Teil in elektrische Energie umgewandelt. Bei dem beschriebenen System werden Komponenten genutzt, die bei einem Gebäude mit einem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (z. B. thermischer Solarkollektor oder fluidgekühlte Photovoltaikanlage) und einer Wärmepumpe bereits oftmals vorhanden sind.
  • Gemäß einer Realisierungsmöglichkeit wird zur Aufrüstung bei einem bestehenden System zur Nutzung von Solarenergie, das bereits über zumindest einen Erdwärmespeicher 3 und zumindest ein Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 verfügt, ein thermoelektrischer Generator 7 nachträglich in der beschriebenen Weise eingebunden, sodass dessen erste Seite 7a in thermischem Kontakt mit dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 steht und dessen zweite Seite 7b in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher 3.
  • Als eine Weiterbildung der beschriebenen Ausführungsform ist es ferner auch möglich, den thermoelektrischen Generator 7 derart zu verschalten, dass dieser auch dann elektrische Leistung bereitstellt, wenn das Temperaturniveau an der ersten Seite 7a niedriger ist als das Temperaturniveau an zweiten Seite 7b. Es kann z. B. in kalten Nächten oder an Wintertagen ohne (oder nur mit geringer) Sonneneinstrahlung der Fall sein, dass im Bereich des Moduls zum Aufnehmen von Solarenergie 2 sehr niedrige Temperaturen auftreten (z. B. –25°C) und andererseits im Bereich des Erdwärmespeichers 3 noch relativ hohe Temperaturen vorliegen (z. B. 10°C). In diesen Fällen kann die erste Seite 7a des thermoelektrischen Generators 7 als „Kaltseite” betrieben werden und die zweite Seite 7b als „Warmseite”, um elektrische Leistung bereitzustellen.
  • ABWANDLUNG
  • Im Folgenden wird eine Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Gemäß der Abwandlung ist zwischen dem ersten Fluidkreislauf 8 und dem zweiten Fluidkreislauf 12 ein Wärmetauscher 20 (gestrichelt dargestellt) angeordnet, der dazu ausgebildet ist, Wärme zwischen den beiden Fluidkreisläufen zu übertragen. Es ist ferner eine Umgehungsleitung vorgesehen (gestrichelt dargestellt) mittels der erreicht werden kann, dass keine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluidkreislauf 8 und dem zweiten Fluidkreislauf 12 ermöglicht ist. Dies ist in dem dargestellten Beispiel durch zwei Dreiwegeventile 21a und 21b und die Umgehungsleitung bewirkt. Obwohl die Dreiwegeventile 21a und 21b und die Umgehungsleitung in dem dargestellten Beispiel in dem ersten Fluidkreislauf 8 ausgebildet sind, können diese z. B. auch in dem zweiten Fluidkreislauf 12 angeordnet sein. Es kann ferner auch in anderer Weise vorgesehen werden, den Wärmetauscher 20 zu- bzw. abschaltbar zu machen, d. h. die Wärmeübertragung zu ermöglichen bzw. zu unterbinden. Das Ermöglichen/Unterbinden der Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluidkreislauf 8 und dem zweiten Fluidkreislauf 12 erfolgt dabei durch die Steuerung des Systems. Dazu können z. B. die Dreiwegeventile 21a und 21b mit der Steuerung verbunden sein.
  • Der Betrieb des Systems zur Nutzung von Solarenergie 1 gemäß der Abwandlung wird im Folgenden beschrieben. Dabei werden nur die zusätzlichen Betriebsmöglichkeiten beschrieben, die zusätzlich zu den bereits oberhalb zu der Grundausführungsform beschriebenen ermöglicht sind.
  • Zum Beispiel in einem Fall, bei dem durch das Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 in dem ersten Fluidkreislauf 8 viel Wärme bereitgestellt wird und diese Wärme nicht mehr für Verbraucher (z. B. zum Erwärmen des Pufferspeichers 5) benötigt wird, kann der Wärmetauscher 20 aktiviert werden, sodass die überschüssige Wärme in den zweiten Fluidkreislauf 12 übertragen wird. Die übertragene Wärme kann dann über den zweiten Fluidkreislauf 12 in den Erdwärmespeicher 3 übertragen und dort gespeichert werden, sodass sie zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung steht. Diese Möglichkeit besteht auch, wenn die in dem ersten Fluidkreislauf 8 erreichten Temperaturen nicht mehr zur direkten Erwärmung des Pufferspeichers 5 ausreichen. Es kann z. B. auch bei niedrigen Temperaturen des Fluids in dem ersten Fluidkreislauf 8, die nur geringfügig oberhalb der Temperaturen in dem Erdwärmespeicher 3 liegen, noch Wärme in den Erdwärmespeicher 3 übertragen werden.
  • Wenn die Temperatur in dem ersten Fluidkreislauf 8 zu gering ist, um direkt über den Wärmetauscher 11 das Wärmeträgermedium in dem Pufferspeicher 5 zu erwärmen, aber immer noch höher als die Temperatur in dem zweiten Fluidkreislauf 12, kann Wärme über den Wärmetauscher 20 in den zweiten Fluidkreislauf 12 auch übertragen werden, um den Energieverbrauch der Wärmepumpe 4 zu verringern. Da der Wärmetauscher 20 in dem zweiten Fluidkreislauf stromabwärts des Erdwärmespeichers 3 und stromaufwärts der Wärmepumpe 4 angeordnet ist, kann das Fluid in dem zweiten Fluidkreislauf 12 vor dem Erreichen der Wärmepumpe 4 mit der übertragenen Wärme auf ein höheres Temperatur angehoben werden. Bei einem Betrieb der Wärmepumpe 4 kann in dieser Weise deren Energieverbrauch gesenkt werden.
  • In dem ersten Fluidkreislauf 8 ist der thermoelektrische Generator 7 zwischen dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 und dem Wärmetauscher 20 stromaufwärts des Wärmetauschers 20 angeordnet. In dem zweiten Fluidkreislauf 12 ist der thermoelektrische Generator 7 zwischen dem Erdwärmespeicher 3 und dem Wärmetauscher 20 stromaufwärts des Wärmetauschers 20 angeordnet. In dieser Weise ist erreicht, dass zwischen der ersten Seite 7a und der zweiten Seite 7b des thermoelektrischen Generators 7 selbst bei aktiviertem Wärmetauscher 20 in vielen Fällen noch eine ausreichende Temperaturdifferenz aufrechterhalten werden kann, die eine Bereitstellung von elektrischer Leistung ermöglicht.
  • Gemäß der Abwandlung werden somit der erste Fluidkreislauf 8 und der zweite Fluidkreislauf 12 in mehrfacher Funktion genutzt. Einerseits werden die beiden Kreisläufe genutzt, um die Temperaturdifferenz über den thermoelektrischen Generator 7 aufrechtzuerhalten, andererseits werden ein Wärmetransport zu dem Pufferspeicher 5 und ein Wärmetransport zu der Wärmepumpe 4 bereitgestellt. Ferner wird durch den Wärmetauscher 20 die (optionale) Wärmeübertragung zwischen den Kreisläufen bereitgestellt, sodass Einspeicherung von Solarwärme in den Erdwärmespeicher 3 und eine Verringerung des (elektrischen bzw. mechanischen) Energiebedarfs der Wärmepumpe 4 ermöglicht werden. Durch das Zusammenspiel dieser verschiedenen Betriebsmöglichkeiten kann das System zur Nutzung von Solarenergie 1 bei verschiedenen Umgebungsbedingungen (z. B. unterschiedlicher Sonneneinstrahlung, unterschiedlichen Außentemperaturen, unterschiedlichem Wärmebedarf für Brauch- und/oder Heizungswasser, etc.) jeweils an diese Umgebungsbedingungen angepasst angesteuert werden, sodass insgesamt eine besonders effiziente Nutzung der natürlichen Energiequellen erreicht wird.
  • Obwohl ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem das Modul zum Aufnehmen von Solarenergie 2 durch einen thermischen Solarkollektor gebildet ist, ist es z. B. auch möglich, bei einem Photovoltaikmodul mit einem Fluidkühlkreislauf, der dazu ausgebildet ist, Wärme von dem Photovoltaikmodul abzuführen, diesen Fluidkühlkreislauf mit der ersten Seite 7a des thermoelektrischen Generators 7 zu verbinden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008036712 A1 [0004]
    • DE 102006023616 A1 [0006]

Claims (10)

  1. System zur Nutzung von Solarenergie (1) mit: zumindest einem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (2), zumindest einem Erdwärmespeicher (3), und zumindest einem thermoelektrischen Generator (7) zur Bereitstellung elektrischer Leistung basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Seite (7a) und einer zweiten Seite (7b) des thermoelektrischen Generators (7), wobei der zumindest eine thermoelektrische Generator (7) derart angeordnet ist, dass dessen erste Seite (7a) in thermischem Kontakt mit dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (2) angeordnet ist und dessen zweite Seite (7b) in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher (3) angeordnet ist.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (7a) des thermoelektrischen Generators (7) über einen ersten Fluidkreislauf (8) in thermischem Kontakt mit dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (2) angeordnet ist.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidkreislauf (8) dazu ausgebildet ist, im Bereich des Moduls zum Aufnehmen von Solarenergie (2) aufgenommene thermische Solarenergie in einen Pufferspeicher (5) zu übertragen.
  4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite (7b) des thermoelektrischen Generators (7) über einen zweiten Fluidkreislauf (12) in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher (3) angeordnet ist.
  5. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass: die zweite Seite (7b) des thermoelektrischen Generators (7) über einen zweiten Fluidkreislauf (12) in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher (3) angeordnet ist, und zwischen dem ersten Fluidkreislauf (8) und dem zweiten Fluidkreislauf (12) ein Wärmetauscher (20) zum Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Fluidkreislauf (8) und dem zweiten Fluidkreislauf (12) vorgesehen ist.
  6. System nach Anspruch 4 oder 5, wobei der zweite Fluidkreislauf (12) dazu ausgebildet ist, eine als Wärmequelle dienende Seite einer Wärmepumpe (4) mit Wärme aus dem Erdwärmespeicher (3) zu versorgen.
  7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (2) einen thermischen Solarkollektor aufweist.
  8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (2) ein fluidgekühltes Photovoltaikmodul aufweist.
  9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Erdwärmespeicher (3) einen Erdwärmekollektor und/oder eine Erdwärmesonde und/oder einen Erdwärmekorb und/oder eine Grund- oder Brunnenwassersonde aufweist.
  10. Verfahren zum Aufrüsten eines Systems zur Nutzung von Solarenergie, wobei das System aufweist: zumindest ein Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (2) und zumindest einen Erdwärmespeicher (3), gekennzeichnet durch: Einbinden eines thermoelektrischen Generators (7) zur Bereitstellung elektrischer Leistung basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Seite (7a) und einer zweiten Seite (7b) des thermoelektrischen Generators (7) derart, dass die erste Seite (7a) in thermischem Kontakt mit dem Modul zum Aufnehmen von Solarenergie (2) und die zweite Seite (7b) in thermischem Kontakt mit dem Erdwärmespeicher (3) angeordnet wird.
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