DE102012104996A1

DE102012104996A1 - Energiekonzeptsystem und Verfahren zum Betreiben eines Energiekonzeptsystems

Info

Publication number: DE102012104996A1
Application number: DE201210104996
Authority: DE
Inventors: Martin Amberger
Original assignee: Munich Modul GmbH
Current assignee: Munich Modul GmbH
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2013-12-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiekonzeptsystem, das zumindest einen solarthermischen Kollektor (2) zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Solarenergie, zumindest einen Latentwärmespeicher (12) zur Speicherung von Wärmeenergie, zumindest eine Wärmepumpe (13) zur zumindest zeitweiligen Einbringung von Wärmeenergie und zumindest ein Photovoltaik-Modul (3), das zumindest teilweise dem solarthermischen Kollektor (2) Wärmeenergie zuführt, umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiekonzeptsystems.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiekonzeptsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Energiekonzeptsystems.
Es hat sich gezeigt, dass die künftige Energieversorgung auf erneuerbaren Energiequellen beruhen muss. Zudem sollte die Energieversorgung soweit wie möglich lokal am Verbrauchsort errichtet beziehungsweise vorgesehen werden. Hierzu sind Ansätze bekannt, bei denen Solarenergie durch Photovoltaik auf Dächern von Gebäuden genutzt wird. Die Nutzungsmöglichkeiten der solaren Strahlungsenergie an Gebäuden sind aber mit der Gewinnung von Strom alleine noch lange nicht ausgeschöpft. Da nur ein sehr geringer Teil von ca. 15% mit der heutigen Technik in Strom umgewandelt werden kann, werden somit 85% der Strahlungsenergie ungenutzt, zum größten Teil als Wärme in die Umgebung abgegeben. Gerade aber Wärme stellt den eigentlichen Hauptbedarf in Wohngebäuden dar.
Zudem ist es bekannt aus Solarenergie Wärmeenergie beispielsweise durch solarthermische Kollektoren zu erhalten. Bei diesen bekannten Kollektoren ist es allerdings nachteilig, dass diese auf einem hohen Temperaturniveau betrieben werden müssen, um ausreichend Wärme für die Versorgung eines Gebäudes mit Warmwasser und/oder zum Heizen eines Gebäudes liefern zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Lösung zu schaffen, mittels derer die Solarenergie effizient in einem Gebäude genutzt werden kann.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem unterschiedliche Komponenten auf einander angepasst in einem System betrieben werden. Insbesondere liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Aufgabe gelöst werden kann, in dem eine Lösung genutzt wird, mittels derer das vorhandene Potential der Strahlungsenergie wesentlich umfänglicher als bisher genutzt wird und das Angebot mit dem Bedarf in Einklang gebracht werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung daher ein Energiekonzeptsystem, das zumindest einen solarthermischen Kollektor zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Solarenergie, zumindest einen Latentwärmespeicher zur Speicherung von Wärmeenergie, eine Wärmepumpe zur zumindest zeitweiligen Einbringung von Wärmeenergie und zumindest ein Photovoltaik-Modul, das zumindest teilweise dem solarthermischen Kollektor Wärmeenergie zuführt, umfasst.
Als Energiekonzeptsystem wird insbesondere ein Energiemanagementsystem mit den für die Energieversorgung eines Gebäudes erforderlichen Komponenten verstanden. Insbesondere umfasst das Energiekonzeptsystem vorzugsweise eine Erzeugungsebene, in der Energie aus Solarenergie gewonnen wird und eine Managementebene, in der die aus der Solarenergie gewonnene Energie verwaltet wird. Die Erzeugungsebene ist über die Managementebene mit einer Verbrauchsebene verbunden, in der die aus der Solarenergie gewonnene Energie verwendet wird. Die Komponenten der Verbrauchsebene, wie insbesondere die Warmwasserversorgung und die Heizung und/oder Kühlung des Gebäudes werden erfindungsgemäß nicht als Teil des Energiekonzeptsystems verstanden, sondern sind mit dem Energiekonzeptsystem verbunden.
Das Energiekonzeptsystem umfasst erfindungsgemäß zumindest einen solarthermischen Kollektor, zumindest einen Latentwärmespeicher, zumindest eine Wärmepumpe und zumindest ein Photovoltaik-Modul. Der zumindest eine solarthermische Kollektor und das zumindest eine Photovoltaik-Modul stellen Komponenten der Erzeugungsebene dar. Die zumindest eine Wärmepumpe und der zumindest eine Latentwärmespeicher stellen Komponenten der Managementebene dar. Erfindungsgemäß sind vorzugsweise mehrere Photovoltaik-Module und mehrere solarthermische Kollektoren vorgesehen. Im Folgenden wird zum einfacheren Verständnis in der Regel nur auf ein Photovoltaik-Modul oder eine Photovoltaik und einen solarthermischen Kollektor oder eine Solarthermie Bezug genommen. Die Ausführungen gelten aber entsprechend für mehrere Photovoltaik-Module und mehrere solarthermische Kollektoren. Das Photovoltaik-Modul wird im Folgenden auch als Photovoltaikmodul oder PV-Modul bezeichnet. Der solarthermische Kollektor wird im Folgenden auch als Solarthermie-Kollektor oder ST-Kollektor bezeichnet. Als Photovoltaik-Modul wird im Sinne der Erfindung ein Modul verstanden, das zumindest eine Solarzelle aufweist, um aus der auf das PV-Modul einstrahlenden Solarstrahlung elektrischen Strom zu gewinnen. Gemäß der vorliegenden Erfindung dient das Photovoltaik-Modul zusätzlich dazu zumindest teilweise dem solarthermischen Kollektor Wärmeenergie zuzuführen. Insbesondere wird die Wärmeleitung eines Photovoltaik-Moduls verwendet, um dem solarthermischen Kollektor Wärmeenergie zuzuführen. Die Photovoltaik, die aus einem oder mehreren PV-Modulen besteht und die Solarthermie, die aus einem oder mehreren solarthermischen Kollektoren besteht, bilden zusammen ein Solarenergiesystem.
Als solarthermischer Kollektor wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Bauteil verstanden, in dem die aus der Solarstrahlung stammende Wärmeenergie auf ein Wärmeübertragungsmedium, insbesondere eine in dem solarthermischen Kollektor geführte Flüssigkeit, übertragen wird. Die aus der Solarstrahlung stammende Wärme kann erfindungsgemäß auch die von einem Photovoltaikmodul durch Wärmeleitung abgegebene Wärme sein.
Der mindestens eine Latentwärmespeicher dient erfindungsgemäß zur Speicherung von Wärmeenergie. Als Latentwärmespeicher wird hierbei ein Langzeitspeicher für Wärmeenergie verstanden. Erfindungsgemäß ist vorzugsweise ein einziger Latentwärmespeicher für ein Gebäude oder auch für mehrere Gebäude vorgesehen.
Es ist aber auch möglich mehrere Latentwärmespeicher für ein Gebäude zu verwenden. Der Latentwärmespeicher wird im Folgenden auch als Langzeitwärmespeicher oder saisonaler Wärmespeicher bezeichnet.
Die mindestens eine Wärmepumpe, die erfindungsgemäß vorgesehen ist, dient erfindungsgemäß zur zumindest zeitweiligen Einbringung von Wärmeenergie. Insbesondere stellt die Wärmepumpe vorzugsweise eine Maschine dar, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf eine Heizflüssigkeit mit höherer Temperatur überträgt. Die Wärmepumpe macht es somit möglich, nach Bedarf, zeitnah direkt nutzbare Wärme aus verschiedenen Temperaturniveaus bereit zu stellen.
Indem bei dem erfindungsgemäßen Energiekonzeptsystem zumindest einen solarthermischen Kollektor, zumindest einen Latentwärmespeicher, zumindest eine Wärmepumpe und zumindest ein Photovoltaik-Modul, das zumindest teilweise dem solarthermischen Kollektor Wärmeenergie zuführt, vorhanden sind, kann die aus der Solarenergie gewinnbare Energie maximiert und deren Nutzung optimiert werden. Insbesondere ist es möglich, die Strahlungsenergie, die auf das Dach eines Gebäudes fällt aus, vollständig zu nutzen. Hierdurch kann aufgrund des mittlerweile geringeren Energiebedarfs moderner Gebäude durch das Energiekonzeptsystem bereitgestellte Energie ausreichen, um den gesamten Energiebedarf beispielsweise eines typischen Einfamilienhauses zu decken. Dies wird durch das Zusammenspiel beziehungsweise die funktionale Verbindung der Komponenten des Systems untereinander möglich. Beispielsweise wird durch das PV-Modul zumindest ein Teil der Wärme an den ST-Kollektor abgegeben. Hierdurch wird zum einen die an dem ST-Kollektor erzielbare Wärmeenergie erhöht. Zum anderen wird aber hierdurch auch die Effizienz des PV-Moduls gesteigert, da der ST-Kollektor zur Kühlung des PV-Moduls dient und ein PV-Modul in der Regel bei geringeren Temperaturen einen höheren Wirkungsgrad besitzt. Die gekühlte Photovoltaik erreicht einen höheren Wirkungsgrad und damit einen höheren Jahresertrag von ca. 5–10%. Da zudem eine Wärmepumpe und ein Speicher vorgesehen sind, ist es möglich die Temperaturniveaus, die von Verbrauchern, wie beispielsweise der Warmwasserversorgung eines Gebäudes, benötigt werden, auch bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, beispielsweise unterschiedlichen Jahreszeiten, zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin wird bei dem Energiekonzeptsystem durch den Einsatz von Speichern dem schwankenden Energieangebot Rechnung getragen. Hierbei ist zu beachten, dass das Energieangebot durch das erfindungsgemäß eingesetzte Solarenergiesystem, insbesondere durch die Kombination und den Kontakt zwischen der Solarthermie und der Photovoltaik zwar ausreichend zur Verfügung gestellt wird, allerdings aber schwankt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Photovoltaik-Modul mit der mindestens einen Wärmepumpe zur zumindest zeitweiligen Stromversorgung der Wärmepumpe verbunden. Die Verbindung stellt eine elektrische Verbindung dar. Indem der an dem PV-Modul erzeugte Strom zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise für den Betrieb der Wärmepumpe verwendet wird, kann das Energiekonzeptsystem als geschlossenes System arbeiten, bei dem außer der Solarenergie keine weitere Energiequelle notwendig ist. Insbesondere wird der aus ökologischer Sicht wesentliche Nachteil einer Wärmepumpe, nämlich der hohe Primärenergieeinsatz, durch den Einsatz von Photovoltaik-Strom zumindest bilanziell eliminiert. Weiterhin weist die Ausführungsform den Vorteil auf, dass der aus Kostengründen attraktive Eigenverbrauch von Photovoltaik-Strom maximiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt der Latentwärmespeicher einen Niedertemperatur-Wärmespeicher, insbesondere ein Eisspeicher, dar. Als Niedertemperatur- oder Niedrigtemperatur-Wärmespeicher wird hierbei ein vorzugsweise ein Wärmespeicher verstanden, bei dem das Prinzip des Phasenübergangs fest-flüssig (Erstarren-Schmelzen) genutzt wird. Bei dem besonders bevorzugten Eisspeicher wird beispielsweise die beim Phasenübergang vom flüssigen Wasser zum festen Eis freiwerdende Wärme genutzt.
Die Vorteile der Verwendung eines Niedertemperatur-Wärmespeichers sind zahlreich. Insbesondere kann durch Kühlung der Solarthermie mittels des Niedertemperaturspeichers ein Effizienzgewinnen für die Photovoltaik und die Solarthermie erzielt werden. Hierzu ist die Solarthermie mit dem Latentwärmespeicher vorzugsweise über einen Wärmetauscher verbunden. Zusätzlich kann von der Wärmepumpe aus die Solarthermie gekühlt werden. In Wärmeperioden kann zudem durch die Verwendung eines Niedertemperatur-Wärmespeichers auch für Wohnräume ohne Mehraufwand Kühlkapazität zur Verfügung gestellt werden. Vorzugsweise ist der Niedertemperatur-Wärmespeicher ein Untergrund-Wärmespeicher. Ein solcher im Erdreich vergrabener Speicher muss aufgrund der geringen Speichertemperaturen nicht gedämmt werden, da kein nennenswerter Wärmeverlust an die Umgebung zu befürchten ist. Im Gegenteil, wird während der Phase der Entladung des Niedertemperatur-Wärmespeichers ein zusätzlicher Energieeintrag aus der Umgebung, dem Erdreich, in den Speicher stattfinden. Durch die Nutzung der Latentwärme beim Phasenübergang von Wasser zu Eis kann zudem in einem kompakten Volumen eine große Menge Energie gespeichert werden. Zusätzlich wird damit die Minimaltemperatur der Energiequelle festgelegt, was die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe positiv beeinflusst.
Um die Vorteile, die sich aus der Festlegung auf ein niedriges Temperaturniveau ergeben, effizient nutzen zu können, ist eine Wärmepumpe, die latent gespeicherte Energie auf ein sinnvolles Niveau hebt, von elementarer Bedeutung.
Der Einsatz von Wärmespeichern ist für kleine Energiemengen in Form von Wasserpufferspeicher bekannt. Sehr viel seltener werden saisonale Wärmespeicher eingesetzt. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Latentwärmespeicher, der vorzugsweise einen saisonalen Wärmespeicher, insbesondere einen Eisspeicher darstellt, ein wichtiges Element im Energiekonzeptsystem, da dieser nicht nur Energie speichert, sondern auch die Effizienz der Erzeugungselemente, insbesondere der Solarthermie und der Photovoltaik, deutlich steigert. Diese doppelte Funktion der Speicherung und der Effizienzsteigerung wird durch die Wahl eines niedrigen Temperaturniveaus erreicht.
Im Folgenden wird der Be- und Entladezyklus des saisonalen Latentwärmespeichers beschrieben.
Erfindungsgemäß wird in dem Niedertemperatur-Wärmespeicher bevorzugt Wasser als Medium verwendet, da dieses eine sehr hohe Wärmekapazität im Phasenübergang aufweist und unter Umweltgesichtspunkten vollkommen unbedenklich ist.
Der typische Temperaturbereich innerhalb dessen ein solcher Speicher betrieben wird, liegt deshalb zwischen 0°C–20°C.
Die untere Grenze ist durch den Phasenwechsel Wasser-Eis festgelegt, die obere Grenze ergibt sich aus der Anforderung der Kühlfähigkeit, wobei dieser Grenzwert fließend ist. Der Speicher ist dann voll entladen, wenn das zurückfließende Kältemittel, das den Energietransfer zwischen dem Speicher und der Wärmepumpe herstellt, gerade noch 0°C erreicht. Wird der Speicher weiter abgekühlt, deutlich unter 0°C, ist er überentladen. Dieser Betriebszustand ist zwar technisch möglich, aber unerwünscht, da die Leistungszahl der Wärmepumpe deutlich schlechter wird.
Grundsätzlich ist es wünschenswert die Speichertemperatur so hoch wie möglich zu halten, also den unteren Grenzpunkt nicht zu erreichen. Da allerdings 85% der gespeicherten Energie in diesem Konzept im Phasenübergang stecken, würde dies sehr große Speichervolumina notwendig machen, die dem Konzept dann die ökonomische Grundlage entziehen.
Ein zu kleines Speichervolumen ist sowohl energetisch als auch aus Kostengründen zu vermeiden. Im Sommer verliert man die Kühlfähigkeit und im Winter muss die Wärmepumpe übermäßig viel Arbeit leisten. Wohingegen ein zu groß gewähltes Speichervolumen energetisch sinnvoll bleibt, aber die erhöhten Investitionskosten nicht zurückfließen. Der Latentwärmespeicher wird daher vorzugsweise geringfügig überdimensioniert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorzugsweise der solarthermische Kollektor als Niedertemperatur-Kollektor betrieben. Besonders bevorzugt nutzt der solarthermische Kollektor beziehungsweise die durch diesen gebildete Solarthermie (die im Folgenden auch kurz als ST bezeichnet wird) die Abwärme, die bei dem Betrieb des Photovoltaik-Moduls zwangsläufig entsteht. Die Niedertemperatur ST (NT-ST) hat einen besseren Wirkungsgrad gegenüber Hochtemperaturvarianten mit 80°C Nutztemperatur. Das Temperaturniveau der ST liegt dabei nicht wie üblich zwischen 60°–80°C sondern deutlich niedriger, bei beispielsweise 20°–30°C. Damit wird eine aktive Kühlung des Photovoltaik-Moduls erreicht, welches ansonsten unter Volllast Temperaturen bis zu 60°C erreichen kann und dabei zu deutlichen Ertragsverlusten führt. Gleichzeitig wird die Wärmeträgerflüssigkeit im Solarthermiekreislauf um beispielsweise 10°K erwärmt. Das zur direkten Nutzung noch zu geringe Temperaturniveau der ST wird mit Hilfe der Wärmepumpe auf brauchbare beziehungsweise nutzbare Temperaturen von beispielsweise 50°C angehoben.
Zudem ist vorzugsweise eine Rückkopplung von dem Niedertemperatur-Wärmespeicher zu der Solarthermie gegeben, so dass eine Kühlung der Solarthermie und dadurch der Photovoltaik, die vorzugsweise mit der Solarthermie in Kontakt steht, ermöglicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Energiekonzeptsystem einen Kurzzeitspeicher zur Speicherung von Wärme, insbesondere in Form eines Schichtenspeichers.
In dem Kurzzeitspeicher für Wärme, der auch als Kurzzeitwärmespeicher bezeichnet wird, kann die erzeugte sensible Wärme, in einen Kurzzeitspeicher zwischengelagert werden, um kurzfristige Spitzen auf der „heißen“ Seite ausgleichen zu können. Die Größenordnung eines solchen Kurzzeitspeichers, der auch als Pufferspeicher bezeichnet wird, wird durch den Wärmebedarf festgelegt. Erfindungsgemäß kann dieser beispielsweise in der Größenordnung zwischen 500 und 1500l liegen.
Der Kurzzeitwärmespeicher wird vorzugsweise als Schichtenspeicher ausgeführt, was bedeutet, dass mindestens zwei verschiedenen Temperaturniveaus abgegriffen beziehungsweise eingelagert werden können.
Die mit dem Kurzzeitwärmespeicher verbundene Wärmepumpe kann deutlich effektiver betrieben werden, da zu Heizzwecken nur eine Temperatur von beispielsweise 35°C notwendig ist und nur die Warmwassererzeugung eine Spitzentemperatur von beispielsweise 50°C benötigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Energiekonzeptsystem zumindest einen Ausgang zur Heizungsanlage und/oder Kühlanlage eines Gebäudes und/oder einen Ausgang zur Warmwasserversorgung auf. Diese Verbindungen des Energiekonzeptsystems sind erfindungsgemäß von Vorteil, da durch das Energiekonzeptsystem sowohl eine Beheizung als auch eine Kühlung von Räumen möglich ist und gleichzeitig oder alternativ aber auch der Warmwasserbedarf in dem Gebäudes bedient werden kann. Zusätzlich weist das Energiekonzeptsystem eine Verbindung zu dem Stromnetz des Gebäudes auf, so dass die von dem PV-Modul erzeugte Energie, die nicht für den Betrieb der Wärmepumpe benötigt wird, in das Stromnetz des Gebäudes eingespeist oder Verbrauchern, wie Geräten oder Licht unmittelbar zur Verfügung gestellt werden kann. Hierbei kann zusätzlich ein Stromkurzzeitspeicher, der auch als Kurzzeitstromspeicher oder Akkumulator bezeichnet wird, vorgesehen sein. Strom mit Hilfe von Akkumulatoren zu speichern ist bekannt. Allerdings verhindern bislang die, gegenüber Strom aus dem Netz, hohen Kosten eine größere Verbreitung. Das Energiekonzeptsystem sieht daher vorzugsweise vor, dass durch den Stromkurzzeitspeicher zumindest die Speicherkapazität für einen Tagesbedarf eingebunden wird, da damit bereits ein beträchtlicher Zuwachs beim Selbstversorgungsgrad möglich ist. Man kann den Eigenverbrauchsanteil von etwa 30% auf etwa 50% steigern.
Da ein Heizungssystem welches auf niedrigen Vorlauftemperaturen basiert, große Massen temperiert, beispielsweise Böden, Wände, Decken, ist dieses verhältnismäßig träge. Das ermöglicht das kurzfristige Abschalten der Heizung und Hochsetzen des Temperaturniveaus an der Wärmepumpe zum Zweck der Warmwassererzeugung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Photovoltaik-Modul mit dem mindestens einen solarthermischen Kollektor in einem Solarenergiesystem aufgenommen und vorzugsweise ist das mindestens eine Photovoltaik-Modul auf dem mindestens einen solarthermischen Kollektor angeordnet.
Mithilfe einer solchen Verbindung von Photovoltaik und Solarthermie in einem Solarenergiesystem, bei dem diese Komponenten insbesondere durch mechanischen Kontakt aufeinander einwirken können, wird es möglich das Potential der Solarenergie konsequent auszuschöpfen. Das erfindungsgemäße Solarenergiesystem ist dabei aufgrund einer solchen Kombination von Photovoltaik und Solarthermie energetisch hoch effizient und eröffnet eine ganze Reihe von Synergieeffekten mit dem Potential niedriger Systemkosten für das Energiekonzeptsystem.
Bei dem Solarenergiesystem, das vorzugsweise eingesetzt wird, ist die Photovoltaik (PV) mit Solarthermie (ST) auf einer Fläche kombiniert. Die ST liegt dabei unterhalb der PV und wird in engem thermischem Kontakt gebracht und gehalten. Aus dieser Vorgehensweise ergibt sich eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere kann durch die doppelte Nutzung der limitierten Fläche die Konkurrenzsituation zwischen ST und PV gelöst werden. Die homogene und damit möglich gewordene nahezu vollständige Dachbelegung führt zu großen Kollektorflächen mit entsprechend hohen Erträgen.
Die Verwendung eines Solarenergiesystems, bei dem die Photovoltaikmodule mit den solarthermischen Kollektoren zusammengefasst sind, aber als einzelne Bauteile vorliegen, in dem Energiekonzeptsystem weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann ein hoher energetischer Ertrag durch hohe Flächenbelegungsdichte erzielt werden, die wiederum durch die flexible Verlegung aufgrund der multiplen Grundformen und der Zuschnittfähigkeit, insbesondere des solarthermischen Kollektors, möglich ist. Zudem kann ein hoher Wirkungsgrad wegen der geringen Temperaturdifferenz zwischen der Solarthermie und der Photovoltaik erzielt werden. Die Materialbelastung der Solarthermie-Kollektoren ist zudem gering, da dieser durch die PV-Module verdeckt verlegt wird. Weiterhin wird statt der Wärmestrahlung, die bei Solarthermie-Kollektoren in der Regel genutzt wird, bei dem erfindungsgemäß vorzugsweise eingesetzten Solarthermie-Kollektor zusätzlich oder ausschließlich Wärmeleitung genutzt. Zudem ist erfindungsgemäß eine Rückkopplung des Latentwärmespeichers mit der Solarthermie möglich. Zudem bietet die Bauform des Solarenergiesystems aus solarthermischen Kollektoren und darauf vorgesehenen Photovoltaik-Modulen geringere Kosten pro Flächeneinheit, da wesentliche Kostentreiber wegfallen, wie beispielsweise Glas, Rahmen oder Absorber. Schließlich besteht bei dem erfindungsgemäß vorzugsweise verwendeten Solarthermie-Kollektor gegenüber sogenannten PVT Kollektoren ein deutlich reduzierter Aufwand an Steckverbindern.
Als Photovoltaik-Modul kann erfindungsgemäß ein Photovoltaik-Modul verwendet werden, das zumindest eine Photovoltaik-Zelle aufweist, die in einem Grundkörper zumindest teilweise aufgenommen und der Grundkörper einen Dachziegelersatz für ein Gebäude darstellt. Das Photovoltaik-Modul weist vorzugsweise eine Breite von 200mm bis 500mm, vorzugsweise 300mm bis 400mm, und eine Länge von 200mm bis 500mm, vorzugsweise 300mm bis 400mm auf. Diese Größe, das heißt die maximalen Abmessungen, des PV-Moduls ist zum einen klein genug, um geometrischen Formen des Daches eines Gebäudes folgend so verlegt werden zu können, dass zum einen eine möglichst große Dachfläche von den PV-Modulen abgedeckt ist. Zum anderen wird durch die geringe Größe auch ein Aussparen von Bereichen des Daches auf einfache Weise ermöglicht, die unabhängig vom Sonnenstand oder zumindest über einen überwiegenden Zeitraum im Schatten liegen, beispielsweise bei Gauben. Andererseits sind die Mindestmaße des PV-Moduls so bemessen, dass in dem Modul eine oder mehrere Solarzellen aufgenommen werden können, die jeweils eine Abmessung aufweisen, die zum Einen zur Aufnahme von Solarenergie geeignet sind und zum anderen einen minimalen Montage- und insbesondere Verkabelungsaufwand notwendig machen. Beispielsweise werden in dem PV-Modul Solarzellen eingesetzt, die ein Kantenmaß von 156mm oder bis zu 200mm aufweisen. Bei dieser Größe der Solarzellen können in dem PV-Modul zwei bis drei Solarzellen benachbart zueinander in Längsrichtung und in Breitenrichtung angeordnet werden. Vorzugsweise weist das PV-Modul mindestens eine starre Steckverbindungsvorrichtung zur Verbindung, insbesondere zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung, mit mindestens einem weiteren PV-Modul auf. Vorzugsweise besteht der Grundkörper des Photovoltaik-Moduls aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem von Silizium entspricht. Auf diese Weise wird es möglich, die Solarzellen des PV-Moduls unmittelbar mit dem Material des Grundkörpers zu umgeben, das heißt diese in das Material des Grundkörpers formschlüssig aufzunehmen, ohne eine Beschädigung der Solarzellen bei eine Temperaturänderung in der Umgebung befürchten zu müssen. Besonders bevorzugt besteht der Grundkörper des Photovoltaik-Moduls aus einem Mineralguss, insbesondere aus Polymerbeton. In dem Material des Grundkörpers kann Graphit aufgenommen sein. Durch Zugabe von Graphit kann beispielsweise eine schwarze Farbe des Grundkörpers erzielt werden. Einer durch Zugabe dieses Materials erhöhte elektrische Leitfähigkeit kann durch Anbringen einer Isolierfolie an der Unterseite des PV-Moduls Rechnung getragen werden. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das PV-Modul neben der Umwandlung von Solarenergie in Strom mittels der Solarzellen auch als Wärmeleitelement zu dem solarthermischen Kollektor dienen kann. In der Rückseite des Grundkörpers des Photovoltaik-Moduls kann mindestens eine Vertiefung zur Aufnahme zumindest eines elektronischen Bauteils des Photovoltaik-Moduls vorgesehen sein. Indem in dieser Ausführungsform in dem Grundkörper des PV-Moduls selber eine Aufnahme von elektronischen Bauteilen ermöglicht wird, wird der Gesamtaufbau des PV-Moduls weiter vereinfacht. Insbesondere kann das Vorsehen von zusätzlichen Verkabelungen zu einem separaten Elektronikkasten entfallen. Das Photovoltaik-Modul umfasst vorzugsweise eine Bypass-Diode, die in der mindestens einen Vertiefung in der Rückseite des Grundkörpers des Photovoltaik-Moduls aufgenommen ist. Hierdurch kann bei einer Verschattung eines PV-Moduls, bei der es zu einem Ausfall der Solarzellen kommen würde, ein zu hoher Strom vermieden werden.
Mit einem solchen bevorzugten Solarenergiesystem, kann im Segment der Stromversorgung auf bislang ungenutzten Dachflächen eine Stromerzeugung ermöglicht werden. Dies wird insbesondere dadurch erzielt, dass die Photovoltaik sich dem vorhandenen Dachportfolio anpasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Energiekonzeptsystems nach der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Photovoltaikmodul abgegebene Wärmeenergie zumindest teilweise durch den solarthermischen Kollektor genutzt wird.
Vorteile und Merkmale, die bezüglich des Verfahrens beschrieben werden, gelten – soweit anwendbar – entsprechend für das erfindungsgemäße Energiekonzeptsystem und umgekehrt.
Vorzugsweise wird der von dem Photovoltaik-Modul erzeugte Strom zumindest teilweise zum Betreiben der Wärmepumpe verwendet. Gemäß einer Ausführungsform wird die Temperatur des Photovoltaik-Moduls durch Kopplung des solarthermischen Kollektors mit dem Latentwärmespeicher eingestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wärmepumpe verwendet, um latent gespeicherte Wärme bei Bedarf auf ein höheres Niveau zu heben.
Vorzugsweise wird sensible Wärme in einem Kurzzeitspeicher zwischengespeichert. Die Erfindung wird im Folgenden erneut unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:
1: ein schematisches Blockschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiekonzeptsystems;
2: ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiekonzeptsystems;
3a–3d: eine Übersicht exemplarischer Betriebszustände des Energiekonzeptsystems; und
4: eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines solarthermischen Kollektors des Energiekonzeptsystems mit Photovoltaik-Modulen.
In 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiekonzeptsystems 1 schematisch gezeigt.
Das Energiekonzeptsystem umfasst ein Solarenergiesystem, das in der dargestellten Ausführungsform eine Solarthermie 11 und eine Photovoltaik 10 umfasst. Die Solarthermie 11 besteht hierbei aus mehreren solarthermischen Kollektoren 2 und die Photovoltaik 10 aus mehreren Photovoltaik-Modulen 3. In der 1 sind schematisch fünf Photovoltaik-Module 3 und drei solarthermische Kollektoren 2 gezeigt. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Anzahlen oder dieses Verhältnis der Anzahlen beschränkt. Die Photovoltaik 10 ist auf der Solarthermie 11 angeordnet.
Die Photovoltaik 10 und die Solarthermie 11 bilden die Erzeugungsebene E des Energiekonzeptsystems 1.
Der genauere Aufbau einer Ausführungsform der Photovoltaik 10 und der Solarthermie 11 ist in 4 gezeigt, in der der solarthermische Kollektor mit 2 und das Photovoltaik-Modul mit 3 bezeichnet ist.
In einer Managementebene M des Energiekonzeptsystems 1 sind ein Latentwärmespeicher 12, eine Wärmepumpe 13, ein Wärmetauscher 14, ein Kurzzeitwärmespeicher 15 sowie ein weiterer Wärmetauscher 17 vorgesehen. Optional kann die Managementebene M, wie dargestellt, auch noch einen Kurzzeitstromspeicher 16 umfassen.
Die Solarthermie 11, insbesondere die solarthermischen Kollektoren 2 sind strömungstechnisch mit der Wärmepumpe 14 verbunden, die wiederum sowohl mit dem Latentwärmespeicher 12 als auch der Wärmepumpe 13 verbunden ist. Die Wärmepumpe 13 wiederum steht mit dem Kurzzeitwärmespeicher 15 in Verbindung. Auch der Wärmetauscher 14 steht mit dem Kurzzeitwärmespeicher 15 in Verbindung.
Von dem Wärmetauscher 14 oder dem dem Kurzzeitwärmespeicher 15 zugeordneten Wärmetauscher 17, stehen die Komponenten der Managementebene M des Energiekonzeptsystem mit Komponenten des Gebäudes in Verbindung. In dieser Ebene, die auch als Verbraucherebene V bezeichnet werden kann, ist in der dargestellten Ausführungsform die Heizung/Kühlung H/K des Gebäudes, die Warmwasserversorgung WW sowie Stromverbraucher, wie Geräte und Licht G/L gezeigt. Der Wärmetauscher 14 und der Kurzzeitwärmespeicher 15 stehen mit der Heizung/Kühlung H/K in Verbindung. Zudem ist der Kurzzeitwärmespeicher 15 über den Wärmetauscher 17 mit der Warmwasserversorgung WW verbunden.
Über die Blockpfeile in 1 ist das Beladen beziehungsweise Kühlen der einzelnen Komponenten angedeutet, wobei die gestrichelten Blockpfeile die Richtung beim Kühlen und die durchgezogenen Blockpfeile die Richtung beim Beladen angeben. Die geraden Pfeile in 1 geben die Richtung der Energieübertragung an.
Hieraus ergibt sich, dass aus der Solarthermie 11 beispielsweise eine Temperatur von 5–45°C an den Wärmetauscher 14 übertragen werden kann. Zwischen dem Wärmetauscher 14 und dem Langzeitspeicher 12 können Temperaturen im Bereich von 0 bis 20°C übertragen werden. Zwischen Wärmetauscher 14 und Wärmepumpe 13 können Temperaturen von 0–35°C übertragen werden. Von der Wärmepumpe 13 können Temperaturen von beispielsweise 55°C an den Kurzzeitwärmespeicher 15 übertragen werden. Schließlich können beispielsweise an die Heizung/Kühlung H/K des Gebäudes Temperaturen von 30 von dem Wärmetauscher 14 und beispielsweise von 35–45°C von dem Kurzzeitwärmespeicher 15 übertragen werden. Für die Warmwasserversorgung WW können von dem Kurzzeitwärmespeicher 15 beispielsweise Temperaturen von 52°C bereitgestellt werden.
Bezüglich der elektrischen Energie, die aus der Photovoltaik 10 erhalten werden kann, ist die mögliche Verwendung in der 1 mit den strich-punktierten Pfeilen angedeutet. So kann zumindest ein Teil der elektrischen Energie von der Photovoltaik 10 an der Wärmepumpe 13 für deren Betrieb bereit gestellt werden. Ein weiterer Teil der elektrischen Energie kann für die Stromverbraucher des Gebäudes, wie beispielsweise Geräte und Licht G/L bereit gestellt werden. Zudem kann optional zumindest ein Teil der elektrischen Energie dem Kurzzeitstromspeicher 16 zur Verfügung gestellt werden. Schließlich kann ein weiterer Teil auch anderen Stromnetzen oder Speichern zugeführt werden.
Anhand der 3a bis 3d, die verschiedene mögliche Betriebszustände des Energiekonzeptsystems 1 zeigt, wird die Funktionsweise des Energiekonzeptsystems 1 unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel von 1 beschrieben. In 3a bis 3d sind hierbei Beispiele exemplarischer Tagesabläufen mit der Abfolge der verschiedenen Betriebszustände gezeigt, wobei jeweils die Aktivitäten der einzelnen Komponenten angegeben sind. Der Latentspeicher 12 ist darüber hinaus zusätzlich entweder mit Entladen oder Beladen gekennzeichnet.
Insgesamt können hierbei neun grundsätzliche Betriebszustände definiert werden:
Der erste Betriebszustand ist das Heizen mit Latentspeicher 12 als Energiequelle. Hierbei ist die Wärmepumpe 13 aktiv, der Latentspeicher 12 wird entladen und es bestehen keine Aktivitäten bei der Solarthermie 11 und Photovoltaik 10.
Der zweite Betriebszustand ist die Regenerationsphase Stufe 1. Hierbei sind die Solarthermie 11 und Photovoltaik 10 aktiv, die Heizung H/K und die Wärmepumpe 13 sind ausgeschaltet und der Latentspeicher 12 wird durch die Solarthermie 11 beladen.
Der dritte Betriebszustand ist die bevorzugte Warmwasserzeugung mit der Solarthermie 11 als Quelle. Hierbei sind die Solarthermie 11 und Photovoltaik 10 aktiv, die Heizung H/K ist aus, die Wärmepumpe 13 ist aktiv und die Solarthermie 11 bietet hohe Quelltemperaturen. Beispielsweise können einige 100 Liter Warmwasser erzeugt werden.
Der vierte Betriebszustand ist die alternative Warmwassererzeugung mit dem Latentspeicher 12 als Quelle. Hierbei besteht bei Solarthermie 11 und Photovoltaik 10 keine Aktivität. Die Heizung H/K ist aus. Die Wärmepumpe 13 ist aktiv und der Latentspeicher 12 stellt die Wärmequelle dar.
Der fünfte Betriebszustand ist das Heizen mit Solarthermie 11. Hierbei sind Solarthermie 11 und Photovoltaik 10 aktiv. Die Heizung H/K und die Wärmepumpe 13 sind aktiv und die Warmwassererzeugung WW ist abgeschlossen.
Der sechste Betriebszustand ist die Regenerationsphase Stufe 2. Hierbei wird zur Solarthermie 11 zusätzlich im Parallelbetrieb das Gebäude gekühlt.
Der siebte Betriebszustand ist die Regenerationsphase Stufe 3. Hierbei kann optional bei hoher Außentemperatur und erhöhtem Regenerationsbedarf die Regenerationsphase erweitert und vom Photovoltaik 10 Betrieb abgekoppelt werden.
Der achte Betriebszustand ist die Akkubeladung. Dies ist eine Phase hoher Stromerzeugung. Das Laden des Akkumulators 15 hat grundsätzlich nachrangige Priorität gegenüber dem Gebäudestrombedarf G/L und der Warmwassererzeugung WW.
Im neunten Betriebszustand bestehen keine Aktivitäten.
Technische Details, insbesondere an welchen Stellen in dem Kreislauf Ventile für die beschriebenen Betriebszustände vorgesehen sind und welcher Art diese sind, lässt sich aus 2 entnehmen, die ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiekonzeptsystems zeigt.
In der 4 ist eine Ausführungsform der Solarthermie 11 und der Photovoltaik 10 gezeigt. Wie sich aus dieser Ansicht ergibt, umfasst der solarthermischen Kollektors 2 einen Grundkörper 20. Die Unterseite des Grundkörpers 20 ist eben. An der Oberseite des Grundkörpers 20 sind mehrere Aufnahmeflächen gebildet. In der Ansicht in 4 sind drei Auflageflächen gezeigt. Die Aufnahmeflächen verlaufen alle nach rechts geneigt in einem Winkel zu der Unterseite des Grundkörpers 20 des solarthermischen Kollektors 2 und damit zu der Unterseite des solarthermischen Kollektors 2. In dem Grundkörper 20 sind Nuten vorgesehen, die in der Oberseite des Grundkörpers 20 enden. In diesen Nuten verlaufen die oberen Teile eine Leitungsrohres 21. Das Leitungsrohr 21 besteht in der dargestellten Ausführungsform aus zwei Verbindungsrohren 211, von denen in der 4 nur eines zu sehen ist, und einer Harfenverrohrung 210. Das Verbindungsrohr 211 ragt in 4 in die Zeichenebene. Die Harfenverrohrung 210 erstreckt sich in Längsrichtung des Grundkörpers 20. Über die Länge des Teils der Harfenverrohrung 210, der aus einem durchgehenden Rohr besteht und im unteren Bereich des Grundkörpers 20 verläuft, zweigen eine Reihe von Rohren in Richtung auf die Oberseite des Grundkörpers 20 nach oben ab. Jedes diese abgezweigten Rohre endet an der Oberseite des Grundkörpers 20 mit einer Krümmung. Über die Krümmung gehen die nach oben gerichteten Rohre in Rohre über, die entlang der Oberfläche des Grundkörpers und insbesondere entlang der Aufnahmefläche 201 verlaufen. Diese Rohre verlaufen in der Breitenrichtung des Grundkörpers 20, die in der gezeigten Ansicht in die Zeichenebene gerichtet ist.
Auf den Aufnahmeflächen ist in der dargestellten Ausführungsform eine Metallfolie 22 aufgebracht. Zwischen den geneigten Aufnahmeflächen ist aufgrund der Neigung und des Versatzes der Aufnahmeflächen zueinander jeweils ein Absatz 25 gebildet. In den Aufnahmeflächen sind Metallschienen 23 eingebracht. Diese erstrecken sich in der Längsrichtung des Grundkörpers 20. Die Metallschienen 23 weisen ein L-förmiges Profil auf und sind so ausgerichtet, dass ein Schenkel entlang der Aufnahmefläche und der andere Schenkel in das Innere des Grundkörpers 20 gerichtet ist. In Längsrichtung des solarthermischen Kollektors 2 verlaufen an dem vorderen und hinteren Rand des Grundkörpers 20 in der Unterseite Querstreben 24. Diese verstärken den vorzugsweise aus einer Schaummatte bestehenden Grundkörper 20.
In 4 ist der solarthermische Kollektor 2 mit darauf aufgebrachten Photovoltaik-Modulen 3 gezeigt. Die Photovoltaik-Module 3 bilden zusammen mit dem solarthermischen Kollektor 2 eine Ausführungsform des Solarenergiesystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in dem Energiekonzeptsystem 1 eingesetzt werden kann.
Die Photovoltaik-Module 3 weisen an deren Unterseite jeweils mindestens einen Modulhaken 30, der ein L-förmiges Profil aufweist und sind so ausgerichtet ist, dass ein Schenkel entlang der Unterseite des Photovoltaik-Moduls 3 und der andere Schenkel nach unten weg von der Unterseite gerichtet ist. Über diesen Modulhaken 30, der auch als Haken bezeichnet wird, kann das Photovoltaik-Modul 3 an der Metallschiene 23 des solarthermischen Kollektors 2 eingehängt werden. Hierzu ist im Bereich der Metallschiene 23 in dem Grundkörper 20 vorzugsweise ein Schlitz entlang der Länge der Metallschiene 23 vorgesehen. In dem in der 4 jeweils rechten Bereich, der im montierten Zustand des Solarenergiesystems den oberen Bereich des Photovoltaik-Moduls 3 darstellt, sind in dem Photovoltaik-Modul 3 keine Photovoltaik-Zellen vorgesehen. In diesem Bereich überlappen die auf den geneigten Auflageflächen aufgelegten und über die Haken 30 fixierten Photovoltaik-Module 3 einander.
Die Unterseite der Photovoltaik-Module 3 liegt auf der Aufnahmefläche auf. Da in dieser auch ein Teil des Leitungsrohres 21, insbesondere der Harfenverrohrung 210 verläuft, kann in diesem Bereich eine unmittelbare Wärmeübertragung von dem Photovoltaik-Modul 3 auf das Leitungsrohr 21 erfolgen.
Mit der vorliegenden Erfindung können durch die geeignete Verbindung des beziehungsweise der Photovoltaik-Module mit einem oder mehreren solarthermischen Kollektoren zusammen mit einem Latentwärmespeicher und einer Wärmepumpe eine Reihe von Vorteilen erzielt werden. Insbesondere kann eine Effizienzsteigerung durch mechanischen Kontakt der Solarthermie mit der Photovoltaik erzielt werden. Die Effizienz kann zudem durch Rückkopplung des Latentwärmespeichers mit der Solarthermie erhöht werden. Zudem kann die Photovoltaik zumindest einen Teil des zum Betreiben einer Wärmepumpe erforderlichen Strombedarfs liefern.
Bezugszeichenliste

1: Energiekonzeptsystem
10: Photovoltaik
11: Solarthermie
12: Latentwärmespeicher
13: Wärmepumpe
130: Wärmepumpe-Einheit
14: Wärmetauscher
15: Kurzzeitwärmespeicher
16: Kurzzeitstromspeicher
17: Wärmetauscher
2: Solarthermischer Kollektor
20: Grundkörper
21: Leitungsrohr
210: Harfenverrohrung
211: Verbindungsrohr
22: Metallfolie
23: Schiene
24: Querträger
25: Absatz
3: Photovoltaik Modul
30: Modulhaken
E: Erzeugungsebene
M: Managementebene
V: Verbraucherebene
H / K: Heizung / Kühlung
WW: Warmwasser
G /L: Geräte, Licht
S: Strombezug
HY: Hydraulik

Claims

Energiekonzeptsystem, das zumindest einen solarthermischen Kollektor (2) zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Solarenergie, zumindest einen Latentwärmespeicher (12) zur Speicherung von Wärmeenergie, zumindest eine Wärmepumpe (13) zur zumindest zeitweiligen Einbringung von Wärmeenergie und zumindest ein Photovoltaik-Modul (3), das zumindest teilweise dem solarthermischen Kollektor (2) Wärmeenergie zuführt, umfasst.
Energiekonzeptsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaik-Modul (3) mit der Wärmepumpe (13) zur zumindest zeitweiligen Stromversorgung der Wärmepumpe (13) verbunden ist.
Energiekonzeptsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (12) einen Niedertemperatur-Wärmespeicher, insbesondere ein Eisspeicher, ist.
Energiekonzeptsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der solarthermische Kollektor (3) als Niedertemperatur-Kollektor betrieben wird.
Energiekonzeptsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Kurzzeitspeicher (15) zur Speicherung von Wärme, insbesondere in Form eines Schichtenspeichers, umfasst.
Energiekonzeptsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiekonzeptsystem zumindest einen Ausgang zur Heizungsanlage und/oder Kühlanlage (H/K) eines Gebäudes aufweist und/oder einen Ausgang zur Wärmwasserversorgung (WW) aufweist.
Energiekonzeptsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Photovoltaik-Modul mit dem mindestens einen solarthermischen Kollektor in einem Solarenergiesystem aufgenommen ist und vorzugsweise das mindestens eine Photovoltaik-Modul auf dem mindestens einen solarthermischen Kollektor angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Energiekonzeptsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Photovoltaik-Modul (3) abgegebene Wärmeenergie zumindest teilweise durch den solarthermischen Kollektor (2) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Photovoltaik-Modul (3) erzeugte Strom zumindest teilweise zum Betreiben der Wärmepumpe (13) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Photovoltaik-Moduls (3) durch Kopplung des solarthermischen Kollektors (2) mit dem Latentwärmespeicher (12) eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (13) verwendet wird, um latent gespeicherte Wärme bei Bedarf auf ein höheres Niveau zu heben.