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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Solarenergie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Am 22. Juli 2012 war unter der Internetadresse http://www.et.fh-mannheim.de/kni/ren/thermie/4_html/4_anwendungen.html eine Internetseite abrufbar, welcher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung von Solarenergie als bekannt zu entnehmen ist. Die Vorrichtung umfasst eine Energiewandlungseinrichtung zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie sowie wenigstens ein Bündelelement zum Bündeln von Sonnenstrahlen und zum Versorgen der Energiewandlungseinrichtung mit der gebündelten Sonnenstrahlung. Die Energie der Sonnenstrahlung, das heißt die Solarenergie ist mittels der Energiewandlungseinrichtung in elektrische Energie umwandelbar.
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Bei der Energiewandlungseinrichtung handelt es sich um einen Stirling-Motor, welcher mittels des Bündelelements mit der gebündelten Sonnenstrahlung angestrahlt und dadurch nach dem allgemeinen bekannten Funktionsprinzip des Stirling-Motors angetrieben wird. Die bedeutet, dass der Stirling-Motor durch das Anstrahlen mit der gebündelten Sonnenstrahlung in einem Teilbereich erwärmt wird.
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Der Stirling-Motor kann mechanische Energie bereitstellen, um beispielsweise einen Generator anzutreiben. Mittels des Generators ist dann die vom Stirling-Motor bereitgestellte, mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar.
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Ferner sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Solarrinnen-Konzentratoren mit konventionellen Dampfkraftwerken bekannt, mittels welchen ebenso Solarenergie bzw. solare Wärme in elektrische Energie umwandelbar ist.
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Die bekannten Vorrichtungen sind dabei auf sehr hohe Wirkungsgrade ausgelegt, um die spezifischen Investitionskosten pro Kilowatt elektrischen Stroms (kWel) gering zu halten. Dies führt in der Regel zu sehr großen Anlagen, welche nur im industriellen Maße genutzt werden können. Das Potenzial von demgegenüber kleineren Anlagen bzw. Vorrichtungen bleibt ungenutzt.
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Der
DE 10 2008 008 832 A1 ist ein Heizsystem für ein Objekt als bekannt zu entnehmen. Das Heizsystem umfasst eine von einer Steuerung geregelte thermische Kopplung eines thermischen Wärmeerzeugers, insbesondere einer konventionellen Heizanlage, mit mehreren Wärmeverbrauchern zur gleichzeitigen Wärme- und Stromproduktion, wobei einer der Wärmeverbraucher ein auf einem thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere einem Wasserdampf- oder ORC- oder Kalina-Prozess, basierendes Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie aufweist und die im thermodynamischen Kreisprozess auftretende Kondensationswärme an weitere Wärmeverbraucher übertragen wird.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Heizsystem in wenigstens einer von zwei Betriebsarten betreibbar ist, wobei in der ersten Betriebsart die erzeugte Wärme dem thermodynamischen Kreisprozess zur Stromproduktion zugeführt wird und die aus dem thermodynamischen Kreisprozess entstehende Restwärme zum Beheizen verwendet wird, und in der zweiten Betriebsart unabhängig vom Heizbedarf Strom produziert wird, indem eine Wärmesenke die Kondensationswärme des thermodynamischen Kreisprozesses aufnimmt.
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Aus der
US 2009/0313995 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, welche einen Solarkollektor zum Übertragen von Sonnenenergie auf ein Arbeitsfluid aufweist. Mittels der Sonnenenergie wird das Arbeitsfluid vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt und als Gas einer antreibbaren Turbine zugeführt, welche mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist. In der
US 2009/0313995 A1 wird zudem der Betrieb im organischen Rankine-Zyklus in Verbindung mit Solarkollektoren als bekannt erwähnt.
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In der
US 7051529 B2 wird ein Solarenergiesystem vorgestellt, mittels welchem Wärmeenergie gespeichert und Sonnenlicht in elektrische Energie konvertiert werden kann. Das Solarenergiesystem weist ein Solarkollektorsystem zum Sammeln von Solarenergie und Emittieren an einen Absorber auf. Die im Absorber gespeicherte thermische Energie wird mittels eines Fluides an ein Wärmewandlungssystem transportiert, wobei des Wärmewandlungssystem die thermische Energie zum Erzeugen von Strom nutzt.
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Die
US 7325401 B1 offenbart verschiedene Energieerzeugungssysteme und Verfahren zu deren kombiniertem Betrieb. Insbesondere wird auf die vorteilhafte Kombination aus Solarenergie und der Energiegewinnung aus Biomasse, sowie auf eine Lastverteilung auf elektrische Energieversorgungssysteme, Gasturbinen und Kraftwerkskontrollsysteme eingegangen.
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US 4280327 beschreibt ein Turbinensystem, bei welchem eine Turbine über eine Welle mit einem Verdichter verbunden ist. Das Turbinensystem umfasst außerdem Mittel zum Übertragen von aus Solarenergie gewonnener Wärmemenge an ein unter Umgebungsdruck stehendes Arbeitsfluid. Des Weiteren umfasst das dortige Turbinensystem jeweilige Mittel (z.B. Leitungen, bzw. Kanäle) um das erhitzte, unter Druck stehende Arbeitsfluid zur Turbine zu leiten um es dort einen Unterdruck zu expandieren, sowie Mittel um das expandierte Arbeitsfluid wiederum dem Verdichter zuzuführen. Durch den Verdichter wird das Arbeitsfluid auf Umgebungsdruck verdichtet und im abgekühlten Zustand dem Solarabsorber zugeführt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Solarenergie der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine Platz sparende, kostengünstige und effiziente Nutzung von Solarenergie ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Eine solche Vorrichtung umfasst eine Energiewandlungseinrichtung zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie sowie wenigstens ein Bündelelement zum Bündeln von Sonnenstrahlung und zum Versorgen der Energiewandlungseinrichtung mit der gebündelten Sonnenstrahlung, deren Solarenergie mittels der Energiewandlungseinrichtung in elektrische Energie umwandelbar ist. Mit anderen Worten macht die Energiewandlungseinrichtung in der Sonnenstrahlung enthaltene Energie (Solarenergie) in Form von elektrischer Energie nutzbar. Zudem ist es vorgesehen, dass die Energiewandlungseinrichtung zumindest einen Erhitzer zum Erhitzen eines Arbeitsmediums eines organischen Rankine-Zyklus mittels der gebündelten Sonnenstrahlung, wenigstens eine von dem erhitzten Arbeitsmediums antreibbare Turbine und wenigstens einen von der Turbine antreibbaren Generator zum Umwandeln von von der Turbine infolge ihres Antreibens bereitgestellter mechanischer Energie in elektrische Energie umfasst. Somit wird die mittels des Bündelelements gebündelte Sonnenstrahlung nicht zum Antreiben eines Stirling-Motors, sondern durch den Erhitzer zum Erhitzen, insbesondere Verdampfen, des Arbeitsmediums des organischen Rankine-Zyklus genutzt. Das Arbeitsmedium treibt infolge seiner Erhitzung die Turbine an, welche unter Bereitstellung mechanischer Energie den Generator antreibt. Der Generator wird durch die von der Turbine bereitgestellte, mechanische Energie angetrieben und wandelt die mechanische Energie zumindest teilweise in elektrische Energie um. Dadurch kann mittels der Vorrichtung auf Platz sparende und gleichzeitig effiziente sowie besonders kostengünstige Weise die Solarenergie der gebündelten Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt und genutzt werden. Durch die Nutzung des Funktionsprinzips des organischen Rankine-Zyklus ist es besonders vorteilhaft möglich, auch bei einer nur geringen Menge an zur Verfügung stehender Solarenergie, das heißt beispielsweise bei geringer Sonnenstrahlung, eine hinreichende Menge an elektrischer Energie zu erzeugen. Die Vorrichtung kann somit besonders vorteilhaft auch in einem kleinen, nicht-industriellen Maßstab und somit insbesondere als Hausanlage verwendet werden, um Solarenergie Platz sparend und kostengünstig in elektrische Energie umzuwandeln. Im Unterschied zur Nutzung eines Heißgas-Motors beispielsweise in Form eines Stirling-Motors zur Umwandlung von Solarenergie in mechanische bzw. elektrische Energie kann zumindest der Erhitzer getrennt von mechanisch bewegbaren Teilen der Vorrichtung, insbesondere der Turbine, an entsprechend geeigneten Stellen angeordnet werden, an denen der Erhitzer besonders vorteilhaft mit der gebündelten Sonnenstrahlung versorgbar ist. Dadurch kann die thermische Belastung der Turbine gering gehalten werden. Darüber hinaus müssen entsprechende Konstruktionselemente zur Befestigung und/oder Halterung des Erhitzers lediglich zur Befestigung bzw. Halterung des Erhitzers und nicht etwa auch zur Halterung der Turbine ausgelegt werden. Dies hält die Kosten und den Bauraumbedarf sowie das Gewicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gering. Darüber hinaus kann der Erhitzer hinsichtlich seiner Funktion, das Arbeitsmedium unter Nutzung der Sonnenstrahlung bzw. der Solarenergie zu erhitzen, unabhängig von der Turbine optimiert werden.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass wenigstens ein von dem Arbeitsmedium durchströmbares Bauelement der Energiewandlungseinrichtung an dem Bündelelement angeordnet ist. Hierdurch kann der Bauraumbedarf der Vorrichtung besonders gering gehalten werden. Darüber hinaus kann dadurch eine besonders vorteilhafte Wärmeabfuhr von dem Arbeitsmedium realisiert werden.
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Vorzugsweise ist das Bündelelement als Parabolspiegel ausgebildet. Dadurch ist eine besonders effektive Bündelung der Sonnenstrahlung möglich, so dass der Erhitzer auch bei nur geringer Sonnenstrahlung mit einem besonders hohen Betrag an Solarenergie versorgbar ist und das Arbeitsmedium entsprechend vorteilhaft erhitzt werden kann.
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Um den Bauraumbedarf der Vorrichtung besonders gering zu halten bei gleichzeitiger Realisierung eines sehr effizienten Betriebs ist es vorzugsweise dabei vorgesehen, dass das wenigstens eine von dem Arbeitsmedium durchströmbare und an dem Bündelelement angeordnete Bauelement auf einer eine Reflektionsfläche zum Reflektieren der Sonnenstrahlung abgewandten Rückseite des Bündelelements angeordnet ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine von dem Arbeitsmedium durchströmbare und an dem Bündelelement angeordnete Bauelement stromab der Turbine angeordnet ist.
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Hierdurch kann das mittels des Erhitzers erhitzte und durch die Turbine expandierte Arbeitsmedium sehr gut gekühlt werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das wenigstens eine Bauelement ein Bauelement eines stromab der Turbine angeordneten Wärmetauschers zum Kühlen des Arbeitsmediums ist. Hierdurch kann die vorzugsweise sehr große Oberfläche des Bündelelements zur Wärmeabfuhr und somit zur effektiven Kühlung des Arbeitsmediums genutzt werden.
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Ferner ist es möglich, dass das wenigstens eine Bauelement ein vom Arbeitsmedium durchströmbares Leitungselement der Energiewandlungseinrichtung ist. Hierdurch kann eine besonders große Oberfläche genutzt werden, über welche Wärme von dem Arbeitsmedium abtransportiert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das wenigstens eine Bauelement außenumfangsseitig Kühlelemente, insbesondere Kühlrippen, auf, durch welche eine besonders große umfangsseitige Oberfläche des Bauelements realisiert ist. Über diese besonders große Oberfläche kann ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang von dem Bauelement an die Umgebung stattfinden, so dass dadurch das Arbeitsmedium besonders gut gekühlt werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen, mittels Wärme von dem Arbeitsmedium auf ein weiteres Medium übertragbar ist. Dadurch kann das Arbeitsmedium nach dessen Erhitzung durch den Erhitzer und nach dem Antreiben der Turbine gekühlt werden. Ferner kann dadurch Niedertemperatur-Nutzwärme aus dem organischen Rankine-Zyklus ausgekoppelt und auf das weitere Medium, welches beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, übertragen werden. Das weitere Medium und insbesondere die im weiteren Medium enthaltene Niedertemperatur-Nutzwärme kann dann beispielsweise weiter für Heizzwecke genutzt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genanten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in neuen Kombinationen oder alleine stehend verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit einer Energiewandlungseinrichtung zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie mit wenigstens einem Bündelelement in Form eines Parabolspiegels zum Bündeln von Sonnenstrahlung und zum Versorgen der Energiewandlungseinrichtung mit der gebündelten Sonnenstrahlung, wobei die Energiewandlungseinrichtung einen Erhitzer zum Erhitzen eines Arbeitsmediums eines organischen Rankine-Zyklus mittels der gebündelten Sonnenstrahlung, eine von dem erhitzten Arbeitsmedium antreibbare Turbine und einen von der Turbine antreibbaren Generator zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie umfasst;
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2 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung;
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3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung;
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4 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung; und
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5 eine schematische Ansicht einer Solaranlage zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie. Dazu umfasst die Vorrichtung 10 eine Energiewandlungseinrichtung 12, mittels welcher Solarenergie zumindest teilweise in elektrische Energie umwandelbar ist. Die Vorrichtung 10 umfasst ferner ein Bündelelement in Form eines Parabolspiegels 14 zum Bündeln von Sonnenstrahlung und zum Versorgen der Energiewandlungseinrichtung 12 mit der gebündelten Sonnenstrahlung. Bei dem Parabolspiegel 14 handelt es sich somit um einen Solarkonzentrator, welcher eine Sonnenstrahlung reflektierende Vorderseite 16 umfasst, die einfallende Sonnenstrahlen derart reflektiert, dass sie auf einen Brennpunkt zulaufen. Mit anderen Worten wird die die Vorderseite 16 bestrahlende Sonnenstrahlung im Brennpunkt gebündelt.
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Der Parabolspiegel 14 ist mit einer Basis 18 verbunden, welche am Boden 20 befestigt ist. Um den Parabolspiegel 14 vorteilhaft zur Sonne auszurichten, kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Parabolspiegel 14 relativ zur Basis 18 bewegbar ist. Zum Bewegen des Parabolspiegels 14 relativ zur Basis 18 kann dabei ein Antrieb, insbesondere wenigstens ein Motor, vorgesehen sein. Mittels des Motors ist es möglich, den Parabolspiegel 14 insbesondere automatisch zur Sonne auszurichten.
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Die Energiewandlungseinrichtung 12 umfasst einen Erhitzer 22, welcher vorliegend zumindest teilweise im Brennpunkt des Parabolspiegels 14 angeordnet ist. Mit anderen Worten liegt der Brennpunkt des Parabolspiegels 14 zumindest bereichsweise auf oder innerhalb des Erhitzers 22.
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Der Erhitzer 22 dient dabei dazu, ein Arbeitsmedium eines organischen Rankine-Zyklus mittels der gebündelten und vom Parabolspiegel 14 zum Erhitzer 22 zugeführten Sonnenstrahlung zu erhitzen. Das Arbeitsmedium ist dabei ein von Wasserdampf unterschiedliches medium in Form einer organischen Flüssigkeit mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur. Der Erhitzer 22 kann dabei dazu dienen, das Arbeitsmedium infolge des Erhitzens zu verdampfen, das heißt aus einem flüssigen Aggregatzustand in einen gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Der Erhitzer 22 ist somit als ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums ausgebildet.
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Dazu ist der Erhitzer 22 mit einer ersten Leitung 24 der Energiewandlungseinrichtung 12 fluidisch verbunden. Dem Erhitzer 22 wird das zu erhitzende und zu verdampfende Arbeitsmedium über die erste Leitung 24 zugeführt. Der Erhitzer 22 ist ferner mit einer zweiten Leitung 26 fluidisch verbunden, über die dem Erhitzer 22 das erhitzte und dadurch verdampfte und expandierte Arbeitsmedium abgeführt wird.
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Mit der zweiten Leitung 26 ist auch eine Turbine 28 in Form einer Dampfturbine der Energiewandlungseinrichtung 12 fluidisch verbunden. Dadurch wird das mittels des Erhitzers 22 erhitzte und zumindest im Wesentlichen dampf- bzw. gasförmige Arbeitsmedium der Turbine 28 zugeführt. Die Turbine 28 wird mittels des gasförmigen Arbeitsmediums angetrieben und kann dadurch beispielsweise über eine Welle 30 mechanische Energie bereitstellen.
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Die Energiewandlungseinrichtung 12 umfasst weiterhin einen Generator 32, welcher vorliegend über die Welle 30 mit der Turbine 28 gekoppelt und somit über die Welle 30 von der Turbine 28 antreibbar ist. Der Generator 32 kann somit die von der Turbine 28 über die Welle 30 bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, welche dann zum Betreiben wenigstens einen elektrischen Verbrauchers genutzt werden kann.
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Darüber hinaus ist ein Wärmetauscher 34 der Energiewandlungseinrichtung 12 vorgesehen, welcher stromab der Turbine 28 und stromauf des Erhitzers 22, das heißt zwischen der Turbine 28 und dem Erhitzer 22 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 34 ist fluidisch mit der zweiten Leitung 26 verbunden, so dass das durch die Turbine 28 expandierte Arbeitsmedium dem Wärmetauscher 34 zugeführt wird. Der Wärmetauscher 34 ist auch mit einer dritten Leitung 36 verbunden, über die dem Wärmetauscher 34 ein weiteres, beispielsweise flüssiges Medium zugeführt wird.
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Mittels des Wärmetauschers 34 wird ein Wärmeübergang von dem Arbeitsmedium auf das weitere Medium bewirkt, so dass dadurch das Arbeitsmedium gekühlt und das weitere Medium erwärmt wird. Dadurch dient der Wärmetauscher 34 bezogen auf das Arbeitsmedium als Kühler und bezogen auf das weitere Medium als Wärmeeinrichtung zur Auskopplung von Niedertemperatur-Nutzwärme aus dem Rankine-Zyklus.
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Das infolge des Wärmeübergangs von dem Arbeitsmedium auf das weitere Medium erwärmte Medium kann über eine vierte Leitung 38 von dem Wärmetauscher 34 abgeführt und beispielsweise einem Heizzweck zugeführt werden.
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Der Wärmetauscher 34 ist ferner mit der ersten Leitung 24 verbunden, wobei das infolge des Wärmeübergangs gekühlte Arbeitsmedium über die erste Leitung 24 von dem Wärmetauscher 34 abgeführt wird. Über die erste Leitung 24 wird das mittels des Wärmetauschers 34 gekühlte Arbeitsmedium wieder dem Erhitzer 22 zugeführt, so dass dadurch der thermodynamische Kreisprozess in Form des organischen Rankine-Zyklus (ORC – Organic Rankine Cycle) geschlossen ist.
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Zum Fördern des Arbeitsmediums insbesondere durch die erste Leitung 24 ist eine Pumpe 40 der Energiewandlungseinrichtung 12 vorgesehen. Die Pumpe 40 kann dabei elektrisch betreibbar sein und mittels der vom Generator 32 bereitgestellten, elektrischen Energie betrieben werden.
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Die Vorrichtung 10 ermöglicht die Platz sparende sowie gleichzeitig effiziente und kostengünstige Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie in einem nicht-industriellen Maßstab, so dass sie insbesondere für Hausanlagen vorteilhaft Verwendung finden kann. Darüber hinaus ermöglicht sie die Auskopplung der Niedertemperatur-Nutzwärme und somit die zusätzliche Nutzung von Abwärme, so dass beispielsweise Räume eines Hauses energieeffizient unter Nutzung von Solarenergie beheizt werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die ausgekoppelte Niedertemperatur-Nutzwärme zwischengespeichert werden und bei Bedarf abgerufen werden.
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Die Nutzung des Funktionsprinzips des organischen Rankine-Zyklus ist dabei besonders vorteilhaft, da auch geringe Temperaturdifferenzen zwischen dem Erhitzer 22 und dem Kühler (Wärmetauscher 34) genutzt werden können, um hinreichend elektrische Energie zu erzeugen. Wie aus 1 erkennbar ist, können ferner sowohl der Erhitzer 22 als auch der Wärmetauscher 34 getrennt von mechanisch bewegbaren Teilen der Turbine 28 an für die Erhitzung des Arbeitsmediums bzw. für die Kühlung des Arbeitsmediums vorteilhaften Stellen platziert werden, ohne sich gegenseitig sowie die Turbine 28 zu beeinflussen.
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Der Erhitzer 22 ist über in 1 sehr schematisch dargestellte Konstruktionselemente 42, 44 im Brennpunkt des Parabolspiegels 14 gehalten. Bei den Konstruktionselementen 42, 44 handelt es sich beispielsweise um Streben, Stangen oder dergleichen. Da der Erhitzer 22 sowohl vom Kühler als auch von der Turbine 28 sowie vom Generator 32 getrennt angeordnet werden kann, kann die mechanische Belastung der Konstruktionselemente 42, 44 infolge der Halterung des Erhitzers 22 im Brennpunkt gering gehalten werden, so dass auch die Kosten, das Gewicht und der Bauraumbedarf der Vorrichtung 10 gering gehalten werden können. Darüber hinaus kann der Erhitzer 22 auf seine Funktion, das Arbeitsmedium zu erhitzen, vorteilhaft ausgelegt werden.
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Ferner sind vielfältige Freiheiten bzw. Freiheitsgraden bei der Wärmeübertragung vom Erhitzer 22 zur Turbine 28 (Antriebs-Einheit) geschaffen. Die Leitungen 24 und/oder 26 können beispielsweise als mechanische Halterungen für den Erhitzer 22 im Brennpunkt des Parabolspiegels 14 ausgeführt oder unabhängig von dieser Funktion verlegt werden.
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Mit anderen Worten kann es sich bei den Konstruktionselementen 42, 44 um die Leitungen 24, 26 handeln, so dass den Leitungen 24, 26 eine Doppelfunktion zukommt. Die vom Arbeitsmedium durchströmbaren Leitungen 24, 26 werden bei einer solchen Ausführungsform nicht nur zum Führen des Arbeitsmediums sondern auch zum Haltern des Erhitzers 22 am Parabolspiegel 14, insbesondere in dessen Brennpunkt, verwendet. Da zusätzliche Konstruktionselemente zum Haltern des Erhitzers 22 am Parabolspiegel 14 dann entfallen können, sind dadurch eine geringe Teilanzahl sowie ein geringes Gewicht der Vorrichtung 10 realisierbar. Dadurch kann die Vorrichtung 10 besonders gut auf Dächern von Häusern montiert werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 10, welche einen besonders geringen Bauraumbedarf aufweist. Wie aus 2 erkennbar ist, ist der Wärmetauscher 34 zum Kühlen des Arbeitsmediums an einer der die Sonnenstrahlen reflektierenden Vorderseite 16 abgewandten Rückseite 46 des Parabolspiegels 14 angeordnet. Mit anderen Worten ist die Oberfläche des Parabolspiegels 14 zumindest bereichsweise Bestandteil des Wärmetauschers 34 und dient zur Wärmeabführung und somit zum Kühlen des Arbeitsmediums. Dadurch kann die sehr große Oberfläche des Parabolspiegels 14 zumindest zum Teil genutzt werden, um das Arbeitsmedium besonders effizient zu kühlen. Die Vorrichtung 10 weist somit auch eine sehr hohe Flexibilität hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung des Kühlers auf, da Konstruktionselemente des Parabolspiegels 14 als Kühler zur Wärmeableitung verwendet werden können.
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3 zeigt in einer ausschnittsweisen Schnittansicht eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 10, bei welcher vorliegend die zweite Leitung 26 stromab der Turbine 28 an der Rückseite 46 des Parabolspiegels 14 angeordnet ist. Dabei kontaktiert die zweite Leitung 26 die Rückseite 46, wobei die Leitung 26 beispielsweise an die Rückseite 46 angeschweißt oder angelötet oder auf andere Weise stoffschlüssig an der Rückseite angebracht ist. Hierdurch kann ein sehr guter Wärmeübergang vom die zweite Leitung 26 durchströmenden Arbeitsmedium über die zweite Leitung 26 an die großflächige Rückseite 46 erfolgen, so dass das Arbeitsmedium sehr gut gekühlt werden kann. Um die große Fläche der Rückseite 46 effektiv zu nutzen, kann sich die zweite Leitung 26 beispielsweise zumindest im Wesentlichen meanderförmig an der Rückseite 46 entlang erstrecken.
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4 zeigt in einer ausschnittsweisen Schnittansicht eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 10, bei welcher die zweite Leitung 26 auf der Rückseite 46 des Parabolspiegels 14 angeordnet ist jedoch diese nicht kontaktiert. Die zweite Leitung 26 ist stromab der Turbine 28 außenumfangsseitig mit Kühlelementen in Form von Kühlrippen 48 versehen. Die Kühlrippen 48 stellen eine sehr große Oberfläche bereit, über welche ein sehr guter Wärmeübergang vom Arbeitsmedium an die Umgebung erfolgen kann. Dadurch kann das Arbeitsmedium sehr gut gekühlt werden. Zusätzlich oder alternativ zu den Kühlrippen können auch anderweitige Kühlelemente wie beispielsweise ein Kühlmantel und/oder Kühlwellungen vorgesehen sein.
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5 zeigt in einer schematischen Ansicht eine im Ganzen mit 50 bezeichnete Solaranlage, welche um eine Energiewandlungseinrichtung 52 erweitert ist. Die Solaranlage 50 umfasst einen Sonnenkollektor 54 zum Sammeln von in Sonnenstrahlung enthaltener Energie, wobei unter Nutzung der gesammelten Energie mittels des Sonnenkollektors 54 ein Arbeitsmedium erwärmt wird. Das Arbeitsmedium wird dem Sonnenkollektor 54 über eine Leitung 56 zugeführt und vom Sonnenkollektor 54 über eine Leitung 58 abgeführt.
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Das vorzugsweise flüssige oder gasförmige, mittels des Sonnenkollektors 54 durch die Sonnenstrahlung erwärmte Arbeitsmedium wird über die Leitung 58 einem beispielsweise mit Wasser gefüllten Boiler 60 zugeführt, wobei das im Boiler 60 aufgenommene Wasser mittels des die Leitung 58 durchströmenden und erwärmten Arbeitsmediums erwärmt wird.
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Die Leitung 58 ist über ein Ventilelement 64 mit der Leitung 56 gekoppelt, so dass – je nach Stellung des Ventilelements 64 – das Arbeitsmedium von der Leitung 58 über das Ventilelement 64 in die Leitung 56 strömen kann. Um eine unerwünschte Strömung des Arbeitsmediums in der Leitung 56 zu vermeiden, ist in der Leitung 56 ein federbelastetes Rückschlagventil 62 angeordnet.
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Die der Solaranlage 50 zugeordnete Energiewandlungseinrichtung 52 umfasst einen Wärmetauscher 66, welcher einerseits mit Leitungen 68, 70 und andererseits mit Leitungen 72, 74 fluidisch verbunden ist.
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Die Leitungen 72, 74 sind dabei von Wasserdampf unterschiedlichen, organischen Arbeitsmedien beispielsweise in Form einer organischen Flüssigkeit eines organischen Rankine-Zyklus durchströmbar, während die Leitungen 68, 70 – je nach Stellung des Ventilelements 64 – von dem Arbeitsmedium der Solaranlage 50 durchströmbar sind.
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In einer ersten Stellung des Ventilelements 64 durchströmt das Arbeitsmedium der Solaranlage 50 die Leitung 56, den Sonnenkollektor 54, die Leitung 58, den Boiler 60 und strömt über das Ventilelement 64 zurück in die Leitung 56.
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In einer zweiten Stellung des eine Vorrangssteuerung realisierenden Ventilelements 64 wird das Arbeitsmedium der Solaranlage 50, welches durch den Sonnenkollektor 54 erhitzt ist, stromauf des Boilers 60 abgezweigt, so dass das Arbeitsmedium der Solaranlage 50 nicht den Boiler 60 durchströmen und über das Ventilelement 64 zurück in die Leitung 56 strömen kann, sondern dass das Arbeitsmedium der Solaranlage 50 in die Leitung 68 einströmt, in der Folge den Wärmetauscher 66 durchströmt, anschließend die Leitung 70 durchströmt und von dieser über das Ventilelement 64 wieder in die Leitung 56 einströmt.
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Dadurch wird ein Wärmeübergang vom mittels des Sonnenkollektors 54 durch Nutzung der Sonnenstrahlen erwärmten Arbeitsmedium der Solaranlage 50 über den Wärmetauscher 66 an das organische Arbeitsmedium der Energiewandlungseinrichtung 52 bewirkt, so dass das organische Arbeitsmedium der Energiewandlungseinrichtung 52 erhitzt wird. Das infolge dieses Wärmeübergangs vom Arbeitsmedium der Solaranlage 50 an das organische Arbeitsmedium erwärmte, organische Arbeitsmedium wird über die Leitung 72 von dem Wärmetauscher 66 abgeführt und einer Dampfturbine in Form einer Turbine 76 der Energiewandlungseinrichtung 52 zugeführt. Das organische Arbeitsmedium wird beispielsweise infolge dieses Wärmeübergangs verdampft.
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Das gasförmige, organische Arbeitsmedium treibt die Turbine 76 an, welche wiederum über eine Welle 78 mechanische Energie bereitstellt und über die Welle 78 einen Generator 80 antreibt. Mittels des Generators 80 wird die über die Welle 78 von der Turbine 76 bereitgestellte, mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt, wodurch die Solarenergie zumindest zum Teil in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Über eine andere Leitung 82 wird das gasförmige und durch die Turbine 76 expandierte, organische Arbeitsmedium von der Turbine 76 ab- und einem Wärmetauscher 84 der Energiewandlungseinrichtung 52 zugeführt. Mittels des Wärmetauschers 84 kann ein Wärmeübergang auf das im Boiler 60 aufgenommene Wasser erfolgen, was zu einer Abkühlung und Kondensation des Arbeitsmediums im Wärmetauscher 84 führt. Über die Leitung 74 kann dann das organische Arbeitsmedium vom Wärmetauscher 84 wieder zum Wärmetauscher 66 strömen, so dass der thermodynamische Kreisprozess in Form des organischen Rankine-Zyklus geschlossen ist.
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Die Energiewandlungseinrichtung 52 gemäß 5 umfasst eine Pumpe 86, mittels welcher das organische Arbeitsmedium zumindest durch die Leitung 74 gefördert wird. Die Pumpe 86 ist bereichsweise mit elektrischer Energie betreibbar und kann beispielsweise mit der vom Generator 80 bereitgestellten Energie betrieben werden.
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Wie aus 5 erkennbar ist, ist bei der um die Energiewandlungseinrichtung 52 erweiterten Solaranlage 50 eine Trennung der Wärmeträgermedien in Form des Arbeitsmediums der Solaranlage 50 und des organischen Arbeitsmediums der Energiewandlungseinrichtung 52 realisiert. Ferner kann mittels der Solaranlage 50 und der mittels dieser gekoppelten Energiewandlungseinrichtung 52 besonders effizient, kompakt und kostengünstig elektrische Energie und Wärme auch in kleinem, nicht-industriellem Maßstab erzeugt werden, so dass die Solaranlage 50 mit der Energiewandlungseinrichtung 52 besonders vorteilhaft als Hausanlage verwendbar ist.
