DE102010055403A1

DE102010055403A1 - Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung sowie Energieumwandlungsmodul

Info

Publication number: DE102010055403A1
Application number: DE201010055403
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-21
Also published as: WO2012085066A3; WO2012085066A2

Abstract

Gemäß der Erfindung ist eine Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung (1) vorgesehen, die aufweist: eine mittels regenerativer Energie antreibbare Stromerzeugungseinheit (2, 4, 6; 8), eine erste Zwischenspeichereinheit (32) zur Speicherung von mittels der Stromerzeugungseinheit (2, 4, 6; 8) erzeugter elektrischer Energie, eine Wasserstofferzeugungseinheit (22), die mittels der elektrischen Leistung der Stromerzeugungseinheit und/oder mittels der elektrischen Energie aus der ersten Zwischenspeichereinheit (22) Wasserstoff erzeugt, einer zweiten Zwischenspeichereinheit (24) zur Speicherung des mittels der Wasserstofferzeugungseinheit (22) erzeugten Wasserstoffs, und einer Brennstoffzelle (26), die mittels des Wasserstoffs aus der zweiten Zwischenspeichereinheit (24) und/oder aus der Wasserstofferzeugungseinheit (22) elektrische Leistung bereitstellt. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Energieumwandlungsmodul vorgesehen mit einer mittels konzentriertem Sonnenlicht antreibbaren Stromerzeugungseinrichtung (6), und einer Reflektor-Konzentratoreinheit, die Sonnenlicht auf eine Heizfläche oder einen Heizkörper der Stromerzeugungseinrichtung (6) konzentriert. Die Reflektor-Konzentratoreinheit weist eine Mehrfachreflektoranordnung auf, die das Sonnenlicht durch zumindest zwei Reflektionen auf die Heizfläche oder den Heizkörper der Stromerzeugungseinrichtung (6) konzentriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung, die eine regenerative Energiequelle zur Erzeugung von Strom nutzt, die umgewandelte elektrische Leistung entweder direkt abgibt oder zwischenspeichert, um unabhängig von der temporären Ergiebigkeit der regenerativen Energiequelle elektrische Leistung für einen Endverbraucher bzw. Nutzer bereitzustellen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energieumwandlungsmodul mit einer Reflektor-Konzentratoranordnung und einer Stromerzeugungseinrichtung.
Die regenerativen Energiequellen Sonnenlicht und Wind liefern eine zeitlich sehr stark schwankende Leistung, so dass die transformierte Leistung entweder zwischengespeichert oder in ein Stromnetzwerk eingespeist werden muss. Die Zwischenspeicherung hat dabei oft eine beschränkte Kapazität, während eine Stromabgabe ins Netzwerk einen entsprechenden Stromanschluss erfordert.
Es sind auch Solarstirlingmodule bekannt, bei denen mittels eines Parabolspiegels das Sonnenlicht auf die Heizfläche des Stirlingmotors konzentriert wird. Der mechanische Aufbau muss dabei sehr stabil dimensioniert werden und Wartungsarbeiten am Stirlingmotor sind schwierig durchzuführen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung vorzusehen, die mittels Zwischenspeicherung auch netzunabhängig zuverlässige elektrische Leistung abgeben kann. Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist es die Aufgabe, ein Energieumwandlungsmodul vorzusehen, bei dem die Wartungsfreundlichkeit verbessert ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 11 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung vorgesehen, die primärenergieseitig mittels regenerativer Energie betrieben wird. Die regenerative Energie wird mittels einer Stromerzeugungseinheit in Strom umgewandelt. Der so erzeugte Strom kann im Bedarfsfall direkt an einen Endverbraucher (Stromverbraucher, z. B. elektrisches Gerät bei einem Nutzer) abgegeben werden. Vorzugsweise ist die Stromerzeugungseinheit derart dimensioniert, dass die maximal erzeugbare Leistung, also bei maximal vorhandener regenerativer Energie, deutlich höher liegt als der mittlere Leistungsbedarf des oder der angeschlossenen Verbraucher. Dabei ist bei maximal zur Verfügung stehender regenerativer Energie die gelieferte Stromenergie bzw. die elektrische Leistung größer als der Bedarf und dieser Überschuss wird zunächst mittels einer Wasserstofferzeugungseinheit in Wasserstoff umgewandelt. Vorteilhaft wird die Leistung, die dann noch darüber hinausgeht, in einer ersten Zwischenspeichereinheit als elektrische Energie gespeichert. Die elektrische Energie aus der ersten Zwischenspeichereinheit wird für die Wasserstofferzeugungseinheit bereitgestellt, sobald die elektrische Leistung aus der Stromerzeugungseinheit nicht mehr den Bedarf des oder der Verbraucher und der Wasserstofferzeugungseinheit vollständig decken kann. Somit wird die von der Stromerzeugungseinheit anstehende elektrische Leistung bis zur maximalen elektrischen Leistungsaufnahme der Wasserstofferzeugungseinheit zugeführt und nur die Leistung, die von der Wasserstofferzeugungseinheit nicht unmittelbar umgesetzt werden kann, wird der ersten Zwischenspeichereinheit zugeführt.
Die erste Zwischenspeichereinheit wirkt dabei zur Pufferung von Leistungsspitzen. Leistungsspitzen treten beispielsweise bei mittels Windkraft erzeugtem Strom während einer Böe auf oder bei Ausnutzung der Sonnenenergie über einen längeren Zeitraum während des Sonnenhöchststandes und freiem Himmel. aufgrund der ersten Zwischenspeichereinheit ist es daher möglich, die Wasserstofferzeugungseinheit kleiner zu dimensionieren, als es bei Auslegung auf die volle Maximalleistung der Stromerzeugungseinheit notwendig wäre. Die erste Zwischenspeichereinheit gewährleistet somit eine gleichmäßigere Auslastung der Wasserstofferzeugungseinheit, was einerseits die Effizienz erhöht und andererseits die Anschaffungskosten reduziert.
Der von der Wasserstofferzeugungseinheit erzeugte Wasserstoff wird in einer zweiten Zwischenspeichereinheit gespeichert. Die zweite Zwischenspeichereinheit ermöglicht eine längerfristige Zwischenspeicherung des Wasserstoffs. Die Speicherung des Wasserstoffs in der zweiten Zwischenspeichereinheit kann bei gleicher Energiemenge kostengünstiger bereitgestellt werden als bei Speicherung von elektrischer Energie (z. B. in Akkumulatoren). Die zweite Zwischenspeichereinheit ist beispielsweise so dimensioniert, dass bei Wegfall der Wasserstofferzeugung während Wartungsarbeiten, während einer Wolkenphase oder dergleichen mittels der Energiemenge des Wasserstoffs einem Verbraucher Energie für einen vollen Tag, zwei, drei, vier oder bis sieben Tage bereitgestellt werden kann.
Bei der Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung wird vorzugsweise der Wasserstoff verwendet, um mittels einer Brennstoffzelle elektrische Leistung bereitzustellen. Zusätzlich kann auch aus der zweiten Zwischenspeichereinheit der Wasserstoff direkt für Verbrennungs- und Wärmeerzeugungszwecke entnommen werden. Die Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung ermöglicht so einen netzunabhängigen Betrieb als Stand-Alone-Einheit, beispielsweise in nicht erschlossenen Gebieten, in Oasen oder dergleichen. Oder wenn eine Vielzahl von solchen Anordnungen verteilt aufgestellt ist und diese lokal vernetzt sind, kann ein Großkraftwerk ersetzt werden, wobei selbst beim Ausfall einzelner Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach wie vor die Grundversorgung mit elektrischer Leistung aufrechterhalten werden kann.
Die Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung ermöglicht somit

– primär den aus der regenerativen Energie mittels der Stromerzeugungseinheit erzeugten Strom (die elektrische Leistung) direkt an den oder die Verbraucher abzugeben,
– sekundär bei einer elektrischen Leistung, die über dem Bedarf des oder der Verbraucher liegt, Wasserstoff mittels der Wasserstofferzeugungseinheit zu erzeugen, und
– in dritter Linie die elektrische Leistung, die nicht von dem oder den Verbrauchern und der Wasserstofferzeugungseinheit verbraucht werden kann in der ersten Zwischenspeichereinheit zwischenzuspeichern.

Von der ersten Zwischenspeichereinheit kann bei Bedarf (also bei geringer elektrischer Leistung der Stromerzeugungseinheit) der Strom primär von dem oder den Verbrauchern abgerufen werden und sekundär wird der Strom an die Wasserstofferzeugungseinheit abgegeben. Ist der elektrische Leistungsbedarf des oder der Verbraucher höher als die von der Stromerzeugungseinheit erzeugte elektrische Leistung, wird die elektrische Leistung zunächst aus der ersten Zwischenspeichereinheit abgerufen. Falls auch dies den Leistungsbedarf nicht decken kann, wird mittels der Brennstoffzelle der Wasserstoff in elektrische Leistung umgewandelt. Es werden daher einerseits die bei jeder Umwandlung von Energie auftretenden Leistungsverluste minimiert, auf der anderen Seite stellt die Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung auch dann elektrische Leistung zur Verfügung, wenn Seitens der Stromerzeugungseinheit keine oder keine ausreichende Leistung zur Verfügung steht.
Vorzugsweise ist die erste Zwischenspeichereinheit eine Akkumulatoreinheit und/oder eine Kondensatoreinheit. Da wie oben erwähnt die Energiemenge, die in der ersten Zwischenspeichereinheit gespeichert werden kann, geringer ist als diejenige in der zweiten Zwischenspeichereinheit, kann die Akkumulatoreneinheit und/oder Kondensatoreneinheit kostengünstig dimensioniert werden. Besonders bevorzugt wird ausschließlich eine Kondensatoreinheit eingesetzt, wobei hier die Kondensatoreinheit wiederum teilweise oder ausschließlich aus Doppelschichtkondensatoren aufgebaut ist, wie beispielsweise SuperCAP-Kondensatoren. Die Speicherung in den Kondensatoren der Kondensatoreinheit ist im Vergleich zu einer Akkumulatoreinheit kostengünstiger und weniger wartungsintensiv. Vorzugsweise beträgt die Kapazität der Kondensatoreinheit zumindest 50 Farad, vorzugsweise mindestens 80 Farad oder 100 Farad.
Vorzugsweise ist der mittels regenerativer Energie angetriebenen Stromerzeugungseinheit ein Spannungswandler zugeordnet, der vorzugsweise eine konstante Gleichspannung ausgibt. Beispielsweise ist der Spannungswandler dahingehend optimiert, dass die für die Kondensatoreinheit zur Verfügung gestellte Spannung eine optimale Ladespannung ist. Ein Spannungswandler ist beispielsweise ein Wechselrichter oder Frequenzumrichter, der die von einem Generator der Stromerzeugungseinheit zugeführte Wechselspannung in eine für den Endverbraucher geeignete Wechselspannung umwandelt. Der Spannungswandler zum Bereitstellen der Gleichspannung für die Kondensatoreinheit kann ebenfalls die Gleichspannung zur Erzeugung des Wasserstoffs in der Wasserstofferzeugungseinheit bereitstellen. Alternativ ist ein weiterer Spannungswandler vorgesehen, der eine zum Betrieb der Wasserstofferzeugungseinheit optimale Spannung abgibt. Durch Wahl des oder der Spannungswandler in Abhängigkeit von den Bedürfnissen des Endverbrauchers, der ersten Zwischenspeichereinheit und/oder der Wasserstofferzeugungseinheit können hier die Wandlerverluste minimiert werden.
Vorzugsweise ist die Stromerzeugungseinheit ein Stirlingmotor. Für den Stirlingmotor wird beispielsweise mittels einer Reflektor-Konzentratoreinheit Sonnenlicht auf dessen Heizfläche oder Heizkörper konzentriert, um diesen aufgrund der Temperaturdifferenz in Bewegung zu setzen. Die 'Heizfläche' bzw. der 'Heizkörper' ist hier als Absorptionsfläche oder -körper zu verstehen, die bzw. der effizient das Sonnenlicht absorbiert und die absorbierte Wärme dem Kreislauf des Stirlingmotors zugeführt werden kann. Im Folgenden wird auf 'Heizfläche' Bezug genommen, worunter sowohl 'Heizfläche' als auch 'Heizkörper' zu verstehen ist. Der Stirlingmotor ist an einen Generator gekoppelt, so dass der Stirlingmotor zusammen mit dem Generator die Stromerzeugungseinheit bildet oder Teil der Stromerzeugungseinheit ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist dem Stirlingmotor eine Heizeinheit zugeordnet, mit der eine oder die Heizfläche des Stirlingmotors beheizbar ist. Vorteilhaft ist die Heizeinheit der Heizfläche zustellbar oder die Heizfläche der Heizeinheit. Mittels der Heizeinheit kann im Bedarfsfall ergänzend oder statt der Sonnenenergie die Heizfläche aufgeheizt werden, so dass der Stirlingmotor in Gang gesetzt und gehalten wird, damit mittels des Generators Strom erzeugt wird. Eine solche Umschaltung oder Umschaltbarkeit hat den Vorteil, dass beispielsweise bei schneebedeckten Reflektoren der Reflektor-Konzentratoreinheit mittels eines anderen Energieträgers Wärme zugeführt wird. Durch die Zustellbarkeit der Heizeinheit zur Heizfläche und/oder der Heizfläche zur Heizeinheit wird erreicht, dass bei Betrieb des Stirlingmotors durch die Sonnenenergie die Heizeinheit die Leistung nicht reduziert oder die Heizeinheit beschädigt würde. Dies trifft ebenfalls umgekehrt zu: Wenn die Heizfläche mittels der Heizeinheit beheizt wird, wird keine Beschädigung oder Wandlungsminderung dadurch verursacht, dass die Anordnung normalerweise zur Umwandlung der Sonnenenergie vorgesehen ist.
Ganz besonders vorteilhaft weist die Reflektor-Konzentratoreinheit eine Mehrfachreflektionsanordnung auf, bei der das Sonnenlicht durch zumindest zwei Reflektionen auf die Heizfläche der Stromerzeugungseinrichtung konzentriert wird. Im Gegensatz zu einer Parabolspiegelanordnung, bei der die Heizfläche des Stirlingmotors im oder im Wesentlichen nahe des Fokuspunktes liegen muss, kann der Stirlingmotor bei Verwendung einer Mehrfachreflektionsanordnung an einer Stelle der Reflektor-Konzentratoreinheit angeordnet sein, bei der einerseits der Stirlingmotor den Sonnenstrahl zum Hauptreflektor (die reflektierende Fläche, auf die bei der Mehrfachreflektion das Sonnenlicht zuerst auftritt) nicht abschattet und andererseits der Stirlingmotor an einer Stelle positioniert werden kann, an der er für Wartungsarbeiten einfacher zugängig ist. Auch im Zusammenhang mit der Umschaltbarkeit zwischen Solarheizung und Heizung mittels der Heizeinheit liegt der Stirlingmotor dann in einem für die Umschaltbarkeit leichter einsetzbaren Bereich. Besonders Vorteilhaft wird durch die Mehrfachreflektion der Fokuspunkt in einen Bereich verlagert, der neben oder gar hinter dem Hauptreflektor liegt. Ein Beispiel für eine solche Mehrfachreflektionsanordnung ist eine Cassegrain-Anordnung (mit einem Cassegrain Teleskop).
Vorzugsweise ist das oder sind die reflektierenden Elemente der Reflektor-Konzentratoreinheit oder zumindest der Hauptreflektor der Reflektor-Konzentratoreinheit bei Mehrfachreflektionsanordnung eine hochreflektierende Folie. Vorzugsweise ist die hochreflektierende Folie auf einen gekrümmten Körper aufgeklebt oder aufgetragen. Dies verringert die Herstellungskosten, da die für die Konzentration des Sonnenlichts notwendige gekrümmten mechanischen Elemente nicht direkt mit einer hochreflektierenden Schicht beschichtet werden müssen, sondern auf einfache Weise eine Folie auf die gekrümmten Elemente oder das gekrümmte Element aufgebracht werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Stromerzeugungseinheit ein oder mehrere Photovoltaikmodule auf. Ganz besonders vorteilhaft sind die ein oder mehreren Photovoltaikmodulen an der Reflektor-Konzentratoreinheit angeordnet. Die Reflektor-Konzentratoreinheit ist vorteilhaft mit oder ohne dem einen oder den mehreren Photovoltaikmodule mittels einer Nachführeinheit derart dem Sonnenstand nachführbar, dass der Brennpunkt der Reflektor-Konzentratoreinheit bezüglich des Bezugssystems Reflektor-Konzentratoreinheit immer an der gleichen oder im Wesentlichen immer an der gleichen Stelle liegt. Vorzugsweise ist die das Sonnenlicht photovoltaisch oder thermisch umwandelnde Einheit (z. B. die Stromerzeugungseinheit) ebenfalls ortsfest mit der Reflektor-Konzentratoreinheit gekoppelt, so dass beim Nachführen der Reflektor-Konzentratoreinheit auch hier wieder die Umwandlungseinheit (beispielsweise Stirlingmotor, hocheffiziente Photovoltaikzellen oder dergleichen) im Bezugssystem der Reflektor-Konzentratoreinheit ortsfest ist.
In Ausgestaltung ist der Stromerzeugungseinheit eine Basisakkumulatoreinheit zugeordnet, die unabhängig von der ersten und zweiten Zwischenspeichereinheit elektrische Leistung speichert oder betrieben wird. Die Hilfsakkumulatoreinheit stellt die elektrische Energie für die Ansteuerung der Stellelemente und/oder der Steuereinheit der Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung bereit. Vorzugsweise wird die Basisakkumulatoreinheit mittels des von dem einen oder den mehreren Photovoltaikmodulen erzeugten Stroms gespeist. Die Basisakkumulatoreinheit stellt vorzugsweise die elektrische Leistung zur Steuerung von Teilen oder allen Steuerkomponenten der Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung bereit. Damit ist ein völlig autonomer Betrieb unabhängig von einem öffentlichen Stromnetzwerk möglich. Auch bei völliger Energieentladung der ersten und zweiten Zwischenspeichereinheit steht Energie zur Verfügung, um die Steuerung zumindest von Teilen der Anordnung in Betrieb zu nehmen. Beispielsweise versorgt die Basisakkumulatoreinheit die Stellantriebe von einem oder mehreren Photovoltaikmodulen und/oder der Reflektor-Konzentratoreinheit, so dass morgens mit Aufgang der Sonne die Photovoltaikmodule und/oder die Reflektor-Konzentratoreinheit auf die Sonne ausgerichtet werden kann. Dies verhindert im Falle des autonom arbeitenden Systems, dass bei erschöpfter erster und zweiter Zwischenspeichereinheit das System nicht in Gang gesetzt werden kann. Auch wird wiederum vorzugsweise nach voller Aufladung der Basisakkumulatoreinheit die überschüssige Energie (elektrische Energie) an die Kette der Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung abgegeben, so dass sie je nach Bedarf und in dieser Reihenfolge:

– an den einen oder mehrere Endverbraucher,
– an die Wasserstofferzeugungseinheit und
– an die erste Zwischenspeichereinheit abgegeben wird.

Weist die Stromerzeugungseinheit einen Stirlingmotor oder eine andere mittels Wärme arbeitende Stromerzeugungseinheit auf, so kann die Abwärme bzw. Prozesswärme des Stirlingmotors oder der Stromerzeugungseinheit einem Wärmeverbraucher oder -speicher zugeführt werden. Beispielsweise kann die Prozesswärme in einer Adsorptionseinheit zur Erzeugung von Kälte (beispielsweise für Klimaanlagen) genutzt werden.
Vorteilhaft arbeitet die Wasserstofferzeugungseinheit mittels einer oder mehrerer Elektrolysezellen oder PEM-Zellen.
In Ausgestaltung ist die Reflektor-Konzentratoreinheit auf einem Podest oder einem Sockel angeordnet, so dass beispielsweise zu deren Aufstellung kein Fundament oder kein Gebäudeabschnitt zur Montage der Reflektor-Konzentratoreinheit vorhanden sein muss.
Vorzugsweise ist das eine oder sind die mehreren Photovoltaikmodule monokristalline, polykristalline, amorphe oder multi-funktionale Photovoltaikzellen. Bei Anordnung eines oder mehrerer Photovoltaikmodule auf der Reflektor-Konzentratoreinheit sind diese vorzugsweise als Kranz oder Teilkranz um die Reflektor-Konzentratoreinheit bzw. um deren Hauptspiegel herum angeordnet.
Mittels des Energieumwandlungsmoduls gemäß Anspruch 11 wird die Aufgabe gelöst, ein Energieumwandlungsmodul vorzusehen, bei dem die Wartungsfreundlichkeit erhöht ist.
Das Energieumwandlungsmodul weist eine Stromerzeugungseinrichtung auf, die mittels konzentrierten Sonnenlichts gespeist wird. Die Wärme bzw. das Licht von der Sonne wird durch die Stromerzeugungseinrichtung in Strom umgewandelt, der dann einem oder mehreren Endverbrauchern oder Zwischenverbrauchern (wie Speicher für elektrische Energie) zur Verfügung gestellt werden kann. Weiterhin weist das Energieumwandlungsmodul eine Reflektor-Konzentratoreinheit auf, die das Sonnenlicht auf eine Heiz- oder Photonabsorptionsfläche konzentriert. Die Reflektor-Konzentratoreinheit hat eine Mehrfachreflektionsanordnung, bei der das Sonnenlicht zunächst auf einen Hauptreflektor trifft, der das Sonnenlicht auf zumindest einen Nebenreflektor reflektiert, wobei der Hauptreflektor das Sonnenlicht bereits konzentriert und auf einen oder mehrere hintereinander geschaltete Nebenreflektoren umlenkt. Durch die Konzentration des Sonnenlichts am Hauptreflektor ist die Reflektionsfläche des einen oder der mehreren Nebenreflektoren kleiner als die des Hauptreflektors. Bei der Weiterreflektion an dem einen oder den mehreren Nebenreflektoren kann das Sonnenlicht noch zusätzlich fokussiert werden oder lediglich umgelenkt werden (beispielsweise durch einen ebenen Spiegel).
Durch die Mehrfachreflektionsanordnung kann das Sonnenlicht zu einer Fläche bzw. einem Punkt hin fokussiert werden, der nicht vor oder im Brennpunkt des Hauptreflektors liegt. Damit kann die Stelle des Konzentrationspunktes frei festgelegt werden im Gegensatz z. B. zu einem einfach reflektierenden Parabolspiegel, bei dem die Heiz- oder Photonabsorptionsfläche gegenüberliegend zum Parabolspiegel in einiger Entfernung entsprechend des Brennpunktes liegen muss. Wird beispielsweise ein Stirlingmotor mittels des konzentrierten Sonnenlichts beheizt, so ist es bei Mehrfachreflektion möglich, den Stirlingmotor an einem kurzen Ausleger anzuordnen, so dass die mechanischen Anforderungen zur Lagerung des Stirlingmotors (bzw. der Stromerzeugungseinrichtung) geringer sind.
Vorteilhaft ist die Stromerzeugungseinrichtung ein Stirlingmotor und weist einen vom Stirlingmotor angetriebenen Generator auf. Vorteilhaft erfolgt die Mehrfachreflektion so, dass der Brennpunkt nahe der Ebene des Hauptreflektors oder sogar hinter dem Hauptreflektor liegt. Damit baut die Reflektor-Konzentratoreinheit weniger tief und die Stützstruktur für die Mehrfachreflektionsanordnung kann auch zur Lagerung der Stromerzeugungseinrichtung verwendet werden.
Ganz besonders vorteilhaft ist der Stromerzeugungseinrichtung eine Heizeinrichtung zugeordnet, mit der eine Heizfläche der Stromerzeugungseinrichtung unabhängig vom Sonnenlicht beheizbar ist. Vorteilhaft kann die Heizfläche der Stromerzeugungseinrichtung der Heizeinrichtung zugestellt werden und/oder umgekehrt (z. B. wie oben beschrieben).
Ebenfalls wie oben beschrieben, kann die Reflektor-Konzentratoreinheit und/oder die Stromerzeugungseinrichtung auf einer Nachführeinrichtung zum Nachführen angeordnet sein, wobei die Nachführung mittels Stellelementen in Abhängigkeit des Sonnenstandes erfolgt.
Ausführungen und Ausgestaltungen betreffend das Energieumwandlungsmodul sind einzeln, in Teilkombination oder in Gesamtkombination auch bei der Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung anwendbar. Umgekehrt sind die Ausführungen und Ausgestaltungen betreffend die Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung im Einzelmerkmal, in Teilkombination oder in Gesamtkombination bei dem Energieumwandlungsmodul anwendbar.
Anhand von Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1: als Blockschaltbild eine autonom arbeitende Energieversorgungsanordnung zur Bereitstellung elektrischer Leistung für Endverbraucher,
2: ein Diagramm mit schematischer Darstellung des Zeitverlaufs der Primärenergieumwandlung und der Energiespeicherung in einem Zwischenspeicher, und
3: eine Stromerzeugungseinheit mit einem Cassegrain-Teleskop und einem Stirlingmotor.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Energieversorgungsanordnung 1 zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für Endverbraucher bei eingangsseitiger Nutzung von Sonnenenergie als Primärenergieträger. Die Sonneneinstrahlung ist im Blockdiagramm mit den als 'Photon' gekennzeichneten Pfeilen symbolisiert. Die Solarenergie unterliegt nicht nur aufgrund des Tages-/Nachtzyklus einer starken Schwankung zwischen 0 und 100%, auch Wolken oder Abschattungen können während der Tagessonnenscheindauer zu Leistungseinbußen führen.
Bei der Anordnung 1 von 1 wird die Solarenergie mittels einer Einheit aus Parabolspiegel 2, Nachführeinheit 4 und Stirlingmotor 6 mit Generator in elektrische Leistung in Form von Wechselstrom umgewandelt. Der Parabolspiegel 2 ist auf der Nachführeinheit 4 angeordnet, die im Zeitraum zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang die optische Achse des Parabolspiegels 2 zur Sonneneinfallsrichtung ausrichtet. Dazu hat die Nachführeinheit 4 zumindest 2 Achsen, um die Ausrichtung Sonnenstrahlrichtung/Parabolspiegelachse zu jeder Tageszeit und Jahreszeit gewährleisten zu können. Das durch den Parabolspiegel gebündelte Sonnenlicht wird auf eine Heizfläche bzw. einen Heizkörper 60 (vergleiche 3) gebündelt, so dass der Stirlingmotor 6 aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Heizkörper und Umgebungstemperatur in Bewegung versetzt wird. Der Stirlingmotor treibt einen daran angekoppelten Generator 64 (vergleiche 3) an, der elektrische Leistung in Form von Wechselstrom liefert.
Zusätzlich ist um den Parabolspiegel 2 herum als Kranz ein Photovoltaikmodul 8 aus mehreren Solarzellen angeordnet, die mit dem Parabolspiegel auf der Nachführeinheit 4 gelagert sind. Somit wird das Photovoltaikmodul 8 ebenfalls mittels der Nachführeinheit 4 zur Sonne ausgerichtet, um die elektrische Leistungsausbeute zu optimieren. Der Strom des Photovoltaikmoduls 8 wird einem DC/DC Spannungswandler 10 zugeführt. Der Spannungswandler 10 optimiert den Arbeitspunkt der Solarzelle in Richtung optimaler Wirkungsgrad und liefert an einen Akkumulator 12 eine Ladespannung, um diesen aufzuladen. Ist der Akkumulator 12 vollständig geladen oder wird durch das Photovoltaikmodul 8 mehr Leistung bereitgestellt als zur Ladung oder Ladungserhaltung des Akkumulators 12 notwendig ist, so wird die überschüssige elektrische Energie einem Elektrolyseur 22 zugeführt. In Ausgestaltung kann die überschüssige Energie auch dem oder den Endverbrauchern 18 oder CAP-Kondensatoren 32 zur Zwischenspeicherung zugeführt werden.
Die elektrische Leistung zum Betreiben der Nachführeinheit 4 wird bei Energieerzeugung des Photovoltaikmoduls 8 aus dem Photovoltaikmodul bereitgestellt oder bei keiner oder geringer Energieerzeugung des Photovoltaikmoduls wird die elektrische Energie für die Nachführeinheit 4 aus dem Akkumulator 12 entnommen. Die Verwendung des Photovoltaikmoduls 8, des Spannungswandlers 10 und des Akkumulators 12 gewährleistet, dass die Nachführeinheit 4 auch dann angesteuert und betrieben werden kann, wenn die Energieversorgungsanordnung 1 nicht an ein (öffentliches oder privates) Stromversorgungsnetzwerk angeschlossen ist und alle anderen Energiezwischenspeicher (24, 32) der Energieversorgungsanordnung 1 erschöpft sind. Der Akkumulator 12 schafft somit eine Redundanz, die selbst bei längerer Dauer von ausbleibender Sonnenstrahlung oder Energieerzeugung mittels des Stirlingmotors 6 ein Wiederanfahren der Energieversorgungsanordnung 1 ermöglicht. Vorteilhaft wird auch die Steuereinheit für die Energieversorgungsanordnung 1 zumindest beim Wiederanfahren aus dem Akkumulator 12 gespeist und während des normalen Betriebs, bei dem das Photovoltaikmodul 8 elektrische Leistung abgibt, aus diesem gespeist.
Vorteilhaft wird die gesamte Energieversorgungsanordnung 1 mittels einer zentralen oder zentralisierten Steuereinrichtung gesteuert, die ihre elektrische Leistung aus dem Photovoltaikmodul 8 oder dem Akkumulator 12 bezieht. Somit ist gewährleistet, dass zumindest ein Teil, die wesentlichen Elemente oder alle Elemente der Energieversorgungsanordnung ständig zumindest im Standby-Modus gehalten werden können, so dass nach Wiedervorhandensein der elektrischen Leistung vom Stirlingmotor 6 umgehend eine funktionierende Energieumwandlung und Zwischenspeicherung gewährleistet ist.
Der aus dem Generator des Stirlingmotors 6 gewonnene Wechselstrom wird optional mittels eines Frequenzumrichters 14 in eine konstante Wechselfrequenz umgerichtet, bei der nachgeschaltete Spannungswandler bzw. Wechselrichter optimal betrieben werden können. Die Wechselspannung vom Generator oder vom Frequenzumrichter 14 wird mittels eines Spannungswandlers 16 in eine normgerechte Wechselspannung umgerichtet, die über eine Leitung den Endverbrauchern 18 zur Verfügung gestellt wird. Mit einem weiteren Spannungswandler 20 wird die Wechselspannung vom Generator oder vom Frequenzumrichter 14 in eine Gleichspannung umgewandelt, die einem Elektrolyseur 22, beispielsweise einem PEM-Elektrolyseur, zugeführt wird. Der Elektrolyseur 22 wandelt die Gleichspannung mittels Elektrolyse in Wasserstoff um. Der so erzeugte Wasserstoff wird in einem Wasserstoffspeicher 24 zwischengespeichert. Aus dem Wasserstoffspeicher 24 kann der Wasserstoff direkt für Verbrennungszwecke entnommen werden. Vorzugsweise oder bei für die Endverbraucher 18 angepasster Wasserstofferzeugungskapazität des Elektrolyseurs 22 wird jedoch der Wasserstoff ausschließlich einer Brennstoffzelle 26 zugeführt. Die Brennstoffzelle 26 liefert eine Gleichspannung, die einem Spannungswandler 28 zugeführt wird, der die Gleichspannung in eine normgerechte Wechselspannung umwandelt, die für die Endverbraucher 18 geeignet ist.
In einer dritten Anschlusslinie wird die Wechselspannung vom Generator 6/64 oder vom optionalen Frequenzumrichter 14 mittels eines Spannungswandlers 30 in eine Gleichspannung umgewandelt, die geeignet ist, um die CAP-Kondensatoren 32 zu laden.
Die CAP-Kondensatoren 32 sind Hochleistungskondensatoren, die hohe Ladungen nahezu verlustfrei während des Lade-/Entladevorgangs speichern können. Die Kondensatoren 32 dienen dazu, denjenigen Überschuss der elektrischen Leistung vom Generator (bzw. Frequenzumrichter 14) zwischenzuspeichern, der weder vom Momentanbedarf der Endverbraucher 18 noch durch den Elektrolyseur 22 aufgebraucht werden kann. Die Kondensatoren 32 sind so ausgelegt, dass sie kurzzeitige Stromerzeugungsschwankungen ausgleichen können oder eine andauernde Überkapazität aufnehmen können. Ersterer Fall tritt beispielsweise auf, wenn Anstelle des Stirlingmotors mit Generator ein Windgenerator eingesetzt wird und die Windverhältnisse böig sind. Eine länger andauernde aber endliche Überkapazität tritt beispielsweise während der Mittagszeit bei Sonnenhöchsstand auf, wenn die elektrische Leistung mittels des Stirlingmotors/Generators bzw. mit einem großen Photovoltaikmodul erzeugt wird.
Die in den Kondensatoren 32 gespeicherte elektrische Energie wird primär für die Endverbraucher 18 bereitgestellt, wenn die elektrische Leistung des Stirlingmotors mit Generator nicht zu deren Versorgung ausreicht. Hierzu wird entweder mittels eines Spannungswandlers 34 die Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt, die der Energie vom Generator bzw. Frequenzumrichter 14 zugeschlagen wird. Oder die Energie aus den Kondensatoren 32 wird über einen Spannungswandler 36 in eine normgerechte Wechselspannung für die Endverbraucher 18 umgewandelt.
Bei alternativer Ausgestaltung der Energieversorgungsanordnung 1 kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass den Endverbrauchern 18 Gleichstrom zugeführt wird, so dass im Falle des Wandlers 16 eine Wechselspannung/Gleichspannungswandlung stattfindet und bei den Wandlern 36 und 28 eine (falls erforderlich) Gleichstrom/Gleichstromumwandlung stattfindet.
Falls der Bedarf der Endverbraucher 18 mittels des Generators gedeckt werden kann, jedoch nicht genug Leistung vom Generator (bzw. Frequenzumrichter 14) bereitsteht, um den Elektrolyseur 22 bei 100% Umwandlungsleistung zu betreiben, wird der Gleichstrom aus den Kondensatoren 32 dem Elektrolyseur 22 in einer Stärke zugeführt, so dass der Elektrolyseur 22 bei 100% arbeiten kann, und solange zugeführt, wie elektrische Energie in den Kondensatoren 32 hierfür bereitsteht.
Bei weiterer Ausgestaltung kann der Energieversorgungsanordnung 1 eine Adsorptionseinheit 38 zugeordnet sein, der die Abwärme bzw. Prozesswärme des Stirlingmotors 6 zugeführt wird. Die Adsorptionseinheit 38 wandelt die Wärmeenergie zum Kühlen eines Mediums um, so dass das gekühlte Medium über eine Wärme-/Kälteaustauschleitung 40 ebenfalls den Endverbrauchern 18 zuführbar ist. Beispielsweise wird von der Adsorptionseinheit 38 heruntergekühltes Kühlmittel zum Betreiben einer Klimaanlage bei den Endverbrauchern bereitgestellt.
Das Diagramm in 2 zeigt schematisch einen beispielhaften Tagesverlauf der mittels des Stirlingmotors 6 erzeugten elektrischen Leistung P und der im Wasserstoffspeicher 24 gespeicherten Wasserstoffmenge (als H₂ angegeben). Bezüglich der elektrischen Leistung P ist der Nullpunkt unten, während bezüglich der gespeicherten Wasserstoffmenge der Nullpunkt oben definiert ist. Die mit der Bezeichnung 'Load' gekennzeichnete Linie stellt idealisiert den Leistungsbedarf der Endverbraucher 18 dar. Zur Idealisierung ist hier angenommen, dass der Leistungsbedarf konstant ist. Tatsächlich schwankt der Leistungsbedarf über die Zeit, so dass sich die Linie 'PEM' entsprechend parallel verschiebt. Die mit 'PEM' bezeichnete Linie hat ihren Null-Bezugspunkt auf der Linie 'Load' und zeigt die maximale Leistung an, die der Elektrolyseur 22 aufnehmen kann, um daraus Wasserstoff zu erzeugen.
Solange die Leistungsabgabe (bezeichnet als 'Power Generated') des Stirlingmotors 6 mit Generator oberhalb der Bezugslinie 'Load' liegt, kann der Elektrolyseur 22 Wasserstoff erzeugen, der dem Wasserstoffspeicher 24 zugeführt wird. Überschreitet die erzeugte Leistung die Bezugslinie 'PEM' so werden die CAP-Kondensatoren 32 aufgeladen. Der Ladungszustand der Kondensatoren 32 ist im Diagramm der 2 nicht dargestellt. Solange die elektrische Leistung des Stirlingmotors 6 die PEM-Bezugslinie überschreitet, ist die Wasserstofferzeugungsrate maximal und konstant. Daher nimmt die im Wasserstoffspeicher 24 gespeicherte Menge an Wasserstoff mit konstanter Rate zu. Sinkt die Leistung unter die PEM-Bezugslinie, so nimmt die Wasserstofferzeugungsrate zunächst solange nicht ab, wie noch elektrische Energie in den CAP-Kondensatoren 32 gespeichert ist. Erst wenn die Energie der Kondensatoren 32 aufgebraucht ist, fällt die Wasserstofferzeugungsrate ab oder geht auf Null, wenn die elektrische Leistung des Stirlingmotors 6 unter die Load-Bezugslinie abfällt. Im dargestellten Beispiel des Diagramms reicht die Energie der Kondensatoren aus, dass sogar noch dann Wasserstoff mit konstanter maximaler Rate erzeugt wird, wenn die erzeugte Leistung sowohl unter die PEM- als auch die Load-Bezugslinie abgefallen ist (dieser Zustand ist an der Stelle 'CAP Exhaust' eingezeichnet).
Im Abschnitt '0' fällt die elektrische Leistung des Stirlingmotors 6 unter die Load-Bezugslinie und zur Gewährleistung der Versorgung der Endverbraucher 18 wird der Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher 24 zur elektrischen Energieversorgung (Wandler 28) herangezogen. Beim Tagesverlauf entspricht der Zeitabschnitt '0' den Zeitraum zwischen Sonnenuntergang und Sonnenaufgang. Die Abschnitte 'I' sind die Abschnitte, in denen die elektrische Leistung zwischen den Bezugslinien Load und PEM liegt. Im Zeitabschnitt 'II' steht soviel Überschussleistung zur Verfügung, dass auch die Kondensatoren 32 geladen werden können.
3 zeigt schematisch eine Stromerzeugungseinheit 48 (als Ausgestaltung von 6), bei der ein Cassegrain-Teleskop 50 (als Ausgestaltung von 2) im Querschnitt und ein Stirlingmotor 62 in schematischer Seitenansicht dargestellt ist. Das Cassegrain-Teleskop 50 ist eine Alternative zu einem Parabolspiegel (2) und ist eine Reflektor-Konzentratoranordnung, bei der das Sonnenlicht zweifach reflektiert wird. Die erste Reflektion findet an einem Hauptspiegel 52 statt, der z. B. parabolförmig ausgebildet ist und das Sonnenlicht auf einen Sekundärspiegel 54 konzentriert. Der Sekundärspiegel 54 reflektiert das konzentrierte Sonnenlicht durch eine Öffnung im Hauptspiegel 52, so dass das konzentrierte Sonnenlicht hinter dem Hauptspiegel 52 auf einen Heizkörper 60 des Stirlingmotors 62 auftrifft. Der Strahlengang des Sonnenlichts ist in 3 mit 56 dargestellt. An den Stirlingmotor 62 ist zur Erzeugung von elektrischer Wechselspannung ein Generator 64 angekoppelt.
Die Einheit aus Heizkörper 60, Stirlingmotor 62 und Generator 64 ist schwenkbar gelagert und kann geschwenkt werden, so dass der Heizköper 60 einer Brennkammer 66 zustellbar ist, mit der alternativ zum konzentrierten Sonnenlicht Wärme dem Heizkörper 60 aus einem Verbrennungsvorgang zugeführt wird. Im dargestellten Beispiel wird die Brennkammer 66 mit Öl befeuert und das Öl aus einem Öltank 68 zugeführt. Das Schwenken des Stirlingmotors 62 und das Heizen des Heizkörpers 60 mittels der Brennkammer 66 unter Verwendung von Öl ist eine Notlösung, die nur dann herangezogen wird, wenn aufgrund langfristigen Sonnenausfalls oder Ausfall einer Zwischenkomponente die dauerhafte Bereitstellung elektrischer Leistung für den Bedarf der Endverbraucher 18 nicht gewährleistet ist.
Bezugszeichenliste

1: Energieumwandlungsanordnung
2: Parabolspiegel
4: Nachführeinheit
6: Stirlingmotor mit Generator
8: Photovoltaikmodul
10: Spannungswandler
12: Akkumulator
14: Frequenzumrichter
16: Spannungswandler
18: Endverbraucher
20: Spannungswandler
22: Elektrolyseur
24: Wasserstoffspeicher
26: Brennstoffzelle
28: Spannungswandler
30: Spannungswandler
32: CAP-Kondensatoren
34: Spannungswandler
36: Spannungswandler
38: Adsorptionseinheit
40: Wärme-/Kälteleitung
48: Stromerzeugungseinheit
50: Cassegrain-Teleskop
52: Hauptspiegel
54: Sekundärspiegel
56: Strahlengang
60: Heizkörper
62: Stirlingmotor
64: Generator
66: Brennkammer
68: Öltank

Claims

Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung (1), die aufweist: eine mittels regenerativer Energie antreibbare Stromerzeugungseinheit (2, 4, 6; 8; 48), eine erste Zwischenspeichereinheit (32) zur Speicherung von mittels der Stromerzeugungseinheit (2, 4, 6; 8; 48) erzeugter elektrischer Energie, eine Wasserstofferzeugungseinheit (22), die mittels der elektrischen Leistung der Stromerzeugungseinheit (2, 4, 6; 8; 48) und/oder mittels der elektrischen Energie aus der ersten Zwischenspeichereinheit (22) Wasserstoff erzeugt, einer zweiten Zwischenspeichereinheit (24) zur Speicherung des mittels der Wasserstofferzeugungseinheit (22) erzeugten Wasserstoffs, und einer Brennstoffzelle (26), die mittels des Wasserstoffs aus der zweiten Zwischenspeichereinheit (24) und/oder aus der Wasserstofferzeugungseinheit (22) elektrische Leistung bereitstellt.
Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Zwischenspeichereinheit (32) eine Akkumulatoreinheit und/oder eine Kondensatoreinheit aufweist oder ist.
Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Zwischenspeichereinheit (32) ausschließlich eine Kondensatoreinheit ist und/oder wobei die Kondensatoreinheit teilweise oder ausschließlich Doppelschichtkondensatoren aufweist (z. B. Supercap^®-Kondensatoren).
Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Stromerzeugungseinheit (2, 4, 6; 8; 48) eine Photovoltaikeinheit (8), einen Stirlingmotor (6, 62) und/oder eine Windenergieeinheit aufweist.
Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach Anspruch 4, wobei dem Stirlingmotor (6, 62) eine Reflektor-Konzentratoreinheit (2, 50) zugeordnet ist, die Sonnenlicht auf eine Heizfläche oder Heizkörper (60) des Stirlingmotors konzentriert, wobei insbesondere die Reflektor-Konzentratoreinheit (2, 50) und/oder der Stirlingmotor auf einer Nachführeinrichtung (4) zum Nachführen in Abhängigkeit des Sonnenstandes gelagert ist oder sind.
Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei dem Stirlingmotor (6, 62) eine Heizeinheit (66) zugeordnet ist, mit der eine Heizfläche oder ein Heizkörper (60) des Stirlingmotors beheizbar ist, wobei insbesondere die Heizeinheit der Heizfläche oder dem Heizkörper zustellbar ist und/oder die Heizfläche der Heizeinheit zustellbar ist.
Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Reflektor-Konzentratoreinheit (2, 50) das Sonnenlicht mittels eines Parabolspiegels (2) oder mittels einer Mehrfachreflektoranordnung (50) auf die Heizfläche oder den Heizkörper (60) des Stirlingmotors (6, 62) konzentriert, wobei insbesondere die Reflektor-Konzentratoreinheit als Cassegrain-Anordnung (50) ausgebildet ist und/oder der Stirlingmotor neben und/oder hinter dem Hauptreflektor (52) angeordnet ist.
Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei das oder die reflektierenden Elemente (52, 54) der Reflektor-Konzentratoreinheit (2, 50) oder zumindest der Hauptreflektor (52) der Reflektor-Konzentratoreinheit eine hochreflektierende Folie aufweist.
Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromerzeugungseinheit (2, 4, 6; 8; 48) ein oder mehrere Photovoltaikmodule (8) aufweist.
Energieumwandlungs- und Zwischenspeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromerzeugungseinheit (2, 4, 6; 8; 48) eine Basisakkumulatoreinheit (12) zugeordnet ist, die insbesondere mittels des einen oder der mehreren Photovoltaikmodule (8) speisbar ist.
Energieumwandlungsmodul (48) mit einer mittels konzentriertem Sonnenlicht antreibbaren Stromerzeugungseinrichtung (6; 60, 62, 64), und einer Reflektor-Konzentratoreinheit (50), die Sonnenlicht auf eine Heizfläche oder einen Heizkörper (60) der Stromerzeugungseinrichtung (6; 60, 62, 64) konzentriert, wobei die Reflektor-Konzentratoreinheit (50) eine Mehrfachreflektoranordnung aufweist, die das Sonnenlicht durch zumindest zwei Reflektionen auf die Heizfläche oder den Heizkörper der Stromerzeugungseinrichtung (6; 60, 62, 64) konzentriert, wobei insbesondere die Reflektor-Konzentratoreinheit als Cassegrain-Anordnung (50) ausgebildet ist und/oder die Stromerzeugungseinrichtung hinter einem Hauptreflektor (52) der Reflektor-Konzentratoreinheit angeordnet ist.
Energieumwandlungsmodul nach Anspruch 11, wobei der Stromerzeugungseinrichtung (6; 60, 62, 64) eine Heizeinheit (66) zugeordnet ist, mit der die Heizfläche oder der Heizkörper (60) der Stromerzeugungseinrichtung beheizbar ist, wobei insbesondere die Heizeinheit (66) der Heizfläche oder dem Heizkörper zustellbar ist und/oder die Heizfläche oder der Heizkörper der Heizeinheit zustellbar ist.