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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie für eine Solarthermieanlage aufweisend einen Tank zur Aufnahme von beheiztem Wasser aus der Solarthermieanlage. Ferner betrifft die Erfindung eine Solarthermieanlage zum Beheizen von Wasser mit einer solchen Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie.
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Eine Solarthermieanlage ist eine Solaranlage, die zur Warmwasseraufbereitung und Heizungsunterstützung eingerichtet ist. Beispielsweise wird über Kollektoren der Solarthermieanlage die Sonnenstrahlung eingefangen und zur Erwärmung von Wasser genutzt, wobei das erwärmte Wasser in einen dafür vorgesehenen Pufferspeicher, insbesondere einem Tank oder Reservoir, gesammelt wird. An sonnigen Sommertagen kann das Wasser im Pufferspeicher Temperaturen über 90°C erreichen. In der Regel werden für Warmwasser, beispielsweise zum Duschen, Temperaturen bis maximal 45°C und zur Heizungsunterstützung Temperaturen von maximal 65°C benötigt, wobei eine Heizungsunterstützung nur an kalten Tagen, insbesondere innerhalb der Heizsaison, benötigt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie für eine Solarthermieanlage zu schaffen, wobei die Vorrichtung aus überschüssiger thermischer Energie der Solarthermieanlage elektrische Energie erzeugt. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie für eine Solarthermieanlage umfasst einen Tank zur Aufnahme von beheiztem Wasser aus der Solarthermieanlage und einen an den Tank angeordneten geschlossenen Fluidkreislauf mit mindestens einem Schaufelrad und einem Wärmetauscher, wobei ein Fluid im Fluidkreislauf dazu eingerichtet ist, thermische Energie aus dem beheizten Wasser im Tank zu entnehmen und über das Schaufelrad zu strömen, wobei das Schaufelrad von dem Fluid im Fluidkreislauf antreibbar ist, wobei das Schaufelrad zumindest mittelbar mit einer elektrischen Maschine verbunden ist, die in einem Generatorbetrieb zur Erzeugung von elektrischer Energie eingerichtet ist, wobei der Wärmetauscher zur Abkühlung des Fluids im Fluidkreislauf stromabwärts des Schaufelrads angeordnet ist, sodass im Fluidkreislauf ein Naturumlauf entsteht.
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Vorteilhaft ist nicht nur die Nutzung der überschüssigen thermischen Energie, die im beheizten Wasser des Tanks enthalten ist, sondern auch der Schutz des Tanks vor einem Überdruck. Denn der Überdruck im Tank kann durch heißes Wasser, beispielsweise mit Temperaturen über 90°C, und der Bildung von Wasserdampf an sonnigen Sommertagen entstehen. Insbesondere ist der Tank nicht vollständig mit Wasser gefüllt, sodass bei hohen Temperaturen Wasserdampf im Tank gebildet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ein Überdruck, insbesondere durch Wasserdampf im Tank verhindert, da der Entzug von thermischer Energie eine Überhitzung des Wassers, insbesondere die Bildung von größeren Mengen an Wasserdampf verhindert.
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Unter einem „Tank“ ist ein Speicher für Wasser, insbesondere ein Fluidreservoir zu verstehen. Beispielsweise kann das Wasser Salze oder sonstige Additive enthalten. Unter einem „Fluidkreislauf“ ist ein geschlossener Fluidfluss in dafür vorgesehene Fluidleitungen zu verstehen. Mithin kann das Fluid aus den Fluidleitungen nicht entweichen. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Beispielsweise kann ein Fluid im Fluidkreislauf mit niedrigem Verdampfungspunkt gewählt werden, wobei dann das Schaufelrad vorzugsweise als Dampfturbine ausgebildet ist. Insbesondere kann dann ein Kühlungskreislauf mit Phasenübergang für das Fluid im Fluidkreislauf vorgesehen werden.
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Der Naturumlauf beruht auf Dichteunterschieden eines warmen Fluids gegenüber einem kalten Fluid, wobei dadurch ein Fluidfluss im Fluidkreislauf generiert wird. Mithin wird die thermische Energie des beheizten Wassers im Tank genutzt, um das Fluid in einem separaten Fluidkreislauf zu erwärmen. Durch den Wärmetauscher, der stromabwärts des Schaufelrads im Fluidkreislauf angeordnet ist und beispielsweise mit kaltem Wasser betrieben wird, wird das erwärmte Fluid wieder abgekühlt, wodurch der Naturumlauf entsteht. Der Naturumlauf treibt das Schaufelrad an. Insbesondere kann das Schaufelrad über die elektrische Maschine zumindest kurzzeitig angetrieben werden, um zumindest anfangs eine Strömung zu erzeugen und eine Durchflussrichtung vorzugeben. Das Schaufelrad wird beim Durchfluss des Fluids in Rotation versetzt, wobei diese kinetische Energie des Schaufelrads über mindestens eine Welle in die elektrische Maschine eingespeist wird, um dort in elektrische Energie umgewandelt zu werden. Die elektrische Maschine umfasst einen gehäusefesten Stator und einen drehbaren Rotor, der mit dem Schaufelrad im Fluidkreislauf zumindest mittelbar verbunden ist. Beispielsweise kann stromabwärts des Wärmetauschers ein weiteres Schaufelrad angeordnet sein, über das mittels derselben oder einer weiteren elektrischen Maschine elektrische Energie erzeugt werden kann.
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Beispielsweise ist die elektrische Maschine mit einem Gleichrichter elektrisch verbunden, um den im Generatorbetrieb erzeugten elektrischen Strom in einen Gleichstrom umzuwandeln. Dieser Gleichstrom kann beispielsweise im elektrischen Hausnetz verwendet werden oder in einen elektrischen Energiespeicher eingespeist werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Wechselrichter vorgesehen sein, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, um diesen im elektrischen Netz einzuspeisen.
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Unter einer „zumindest mittelbaren Verbindung“ ist vorliegend zu verstehen, dass im Leistungsfluss zwischen dem Schaufelrad und dem Rotor der elektrischen Maschine weitere Bauteile oder Vorrichtungen angeordnet sein können. Beispielsweise kann eine Kupplung und/oder ein Getriebe im Leistungsfluss zwischen dem Schaufelrad und der elektrischen Maschine angeordnet sein. Die Kupplung dient zur Kopplung bzw. Entkopplung der elektrischen Maschine vom Schaufelrad, wobei das Getriebe zur Einstellung einer Übersetzung vorgesehen ist. Ein Getriebe kann durch mindestens zwei Zahnräder, die miteinander in Zahneingriff stehen, gebildet werden. Alternativ kann das Schaufelrad unmittelbar, insbesondere drehfest mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden sein, wobei dadurch Bauraum und Kosten eingespart werden können.
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Vorzugsweise ist das Schaufelrad in einem ersten im Wesentlichen vertikal angeordneten Leitungsabschnitt des Fluidkreislaufs angeordnet, wobei das Fluid im Fluidkreislauf durch die Aufnahme der thermischen Energie aus dem Wasser im Tank Auftrieb im vertikal angeordneten Leitungsabschnitt erfährt. Unter einem „im Wesentlichen vertikal angeordneten Leitungsabschnitt“ ist zu verstehen, dass der Leitungsabschnitt gegenüber einer horizontalen Ebene, insbesondere einem Fußboden auf dem der Tank angeordnet ist, im Wesentlichen senkrecht ausgebildet ist und in einer vertikalen Raumrichtung „nach oben“ verläuft. Beispielsweise sind Winkelabweichungen von bis zu 15° gegenüber der Vertikalen möglich. Die Anordnung des Schaufelrads in diesem ersten Leitungsabschnitt des Fluidkreislaufs ist besonders effizient, weil das erwärmte Fluid aufgrund des Dichteunterschieds aufsteigen will, also im Wesentlichen vertikal nach oben strömen will. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaufelrad in einem oberen Bereich des im Wesentlichen vertikal angeordneten Leitungsabschnitts angeordnet, wo das Fluid eine maximale Geschwindigkeit erreicht hat. Dies erhöht weiter die Effizienz des Systems.
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Vorzugsweise ist der Fluidkreislauf mäanderförmig in einem Bereich des Tanks angeordnet, der das wärmste Wasser aufweist. Insbesondre ist der Fluidkreislauf in einem oberen Bereich im Tank mäanderförmig angeordnet. Aufgrund von thermischer Schichtung des Wassers im Tank befindet sich dort das wärmste Wasser im Tank. Durch den mäanderförmig ausgebildeten Fluidkreislauf wird eine wirksame Oberfläche zur Aufnahme der thermischen Energie aus dem Wasser im Tank vergrößert. Dadurch wird die Effizienz der Vorrichtung erhöht.
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Bevorzugt weist der Fluidkreislauf zumindest ein erstes Ventil auf, wobei das erste Ventil dazu eingerichtet ist, bei Erreichen einer Grenztemperatur des beheizten Wassers im Tank einen Durchfluss des Fluids im Fluidkreislauf freizugeben. Ein „Ventil“ ist ein schaltbares Element zur fluidischen Schaltung und weist zumindest eine geöffnete und eine geschlossene Schaltstellung auf. In der geschlossenen Schaltstellung des Ventils wird ein Durchfluss des Fluids im Fluidkreislauf gesperrt, somit ein Durchfluss des Fluids verhindert. In der geöffneten Schaltstellung des Ventils wird ein Durchfluss des Fluids im Fluidkreislauf freigegeben. Unter einer „Grenztemperatur“ ist ein Schwellwert für die Temperatur zu verstehen, wobei die Grenztemperatur beispielsweise in einer Steuereinrichtung hinterlegt ist, wobei die Steuereinrichtung signalübertragend zumindest mit dem ersten Ventil verbunden ist, um es anzusteuern. Insbesondere kann die Grenztemperatur variabel eingestellt werden, wodurch die Vorrichtung an warmen Tagen, beispielsweise im Sommer, wenn keine Heizungsunterstützung benötigt wird, bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann als an kalten Tagen, beispielsweise im Winter, wenn auch eine Heizungsunterstützung benötigt wird. Die Anordnung zumindest eines Ventils im Fluidkreislauf ist vorteilhaft, weil die Vorrichtung zur Stromerzeugung dadurch besonders einfach in Betrieb genommen werden kann und erst ab einer bestimmten Temperatur effizient zur Energieerzeugung nutzbar ist, wobei vorher das Wasser im Tank für den primären Zweck des Warmwassers und ggf. zur Heizungsunterstützung verwendet werden soll.
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Vorzugsweise beträgt die Grenztemperatur des beheizten Wassers im Tank mindestens 50°C. Diese Temperatur ist für einen effizienten Betrieb besonders vorteilhaft, sofern nur Warmwasser benötigt wird. Vorzugsweise beträgt die Grenztemperatur des beheizten Wassers im Tank mindestens 65°C. Diese Temperatur ist für einen effizienten Betrieb besonders vorteilhaft, sofern das Wasser im Tank auch zur Heizungsunterstützung benötigt wird.
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Bevorzugt ist das erste Ventil in dem ersten im Wesentlichen vertikal angeordneten Leitungsabschnitt des Fluidkreislaufs angrenzend an dem Tank angeordnet. Mithin ist das erste Ventil gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dazu eingerichtet, den Durchfluss in dem ersten im Wesentlichen vertikal angeordneten Leitungsabschnitt des Fluidkreislaufs angrenzend am Tank zu sperren.
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Ferner bevorzugt weist der Fluidkreislauf ein zweites Ventil auf, das dazu eingerichtet ist, den Durchfluss in einem zweiten im Wesentlichen vertikal angeordneten Leitungsabschnitt des Fluidkreislaufs angrenzend am Tank zu sperren. Das zweite Ventil ist auch dazu eingerichtet, bei Erreichen einer Grenztemperatur des beheizten Wassers im Tank einen Durchfluss des Fluids im Fluidkreislauf freizugeben. Mithin ist das erste Ventil in dem im Wesentlichen vertikal angeordneten ersten Leitungsabschnitt des Fluidkreislaufs im Fluidfluss zwischen dem Tank und dem Schaufelrad angeordnet, wobei das zweite Ventil in dem im Wesentlichen vertikal angeordneten zweiten Leitungsabschnitt des Fluidkreislaufs im Fluidfluss zwischen dem Wärmetauscher und dem Tank angeordnet ist. Die beiden Ventile sind derart am Tank angeordnet, dass im Sperrzustand der Ventile nur das Fluid in dem Leitungsabschnitt des Fluidkreislaufs erwärmt wird, der am oder im Tank angeordnet ist. Das Fluid in den verbleibenden Leitungsabschnitten des Fluidkreislaufs, insbesondere in den beiden vertikal angeordneten Leitungsabschnitten sowie dem Leitungsabschnitt, der zwischen dem Schaufelrad und dem Wärmetauscher angeordnet ist, wird dadurch thermisch entkoppelt und somit nicht erwärmt. Dadurch kann die Solarthermieanlage effizienter betrieben werden.
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Eine erfindungsgemäße Solarthermieanlage zum Beheizen von Wasser umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der beiden Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Solarthermieanlage zum Beheizen von Wasser, und
- 2 eine schematische Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie.
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Gemäß 1 umfasst eine erfindungsgemäße Solarthermieanlage 2 zum Beheizen von Wasser eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die Solarthermieanlage 2 nutzt die Sonnenstrahlung, um das Wasser in einem Tank 3 zu erwärmen. Das Wasser im Tank strömt dazu über dafür vorgesehene Leitungen gemäß einem ersten Pfeil 12 zur Solarthermieanlage 2, insbesondere zu einem Kollektor der Solarthermieanlage 2, wird dort erwärmt und strömt über dafür vorgesehene Leitungen gemäß einem zweiten Pfeil 13 zurück in den Tank 3 und bildet so einen Wasserkreislauf. An dem Tank 3 ist ein separater geschlossener Fluidkreislauf 4 angeordnet.
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In 2 ist die Vorrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß 1 detaillierter dargestellt. Der Tank 3 ist mit beheiztem Wasser aus der Solarthermieanlage 2 gefüllt und weist eine Ableitung 14 zum Ausströmen des Wassers aus dem Tank 3 gemäß dem ersten Pfeil 12 zur Solarthermieanlage, um dort aufgeheizt zu werden, sowie eine Zuleitung 15 zum Einströmen des beheizten Wassers gemäß dem zweiten Pfeil 13 zurück in den Tank 3. Dadurch wird ein Wasserkreislauf gebildet, wobei der Tank als Pufferspeicher für das beheizte Wasser vorgesehen ist. Ferner erfolgt über die Ableitung 14 oder einer weiteren, nicht dargestellten Leitung die Entnahme von Warmwasser oder Heizwasser.
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An dem Tank 3 ist der geschlossene Fluidkreislauf 4 der Vorrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie angeordnet, wobei der Fluidkreislauf 4 in einem oberen Bereich des Tanks 3 mäanderförmig angeordnet ist. Im Tank 3 ist das Wasser thermisch geschichtet, wobei sich das wärmste Wasser im oberen Bereich des Tanks 3 befindet. Daher ist auch die Zuleitung 15 im oberen Bereich des Tanks 3 angeordnet.
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Der Fluidkreislauf 4 weist ein Schaufelrad 5, einen Wärmetauscher 6, ein erstes Ventil 8.1 und ein zweites Ventil 8.2 auf. Das Fluid im Fluidkreislauf 4 entzieht thermische Energie aus dem beheizten Wasser im Tank 3 und strömt über das Schaufelrad 5, wobei das Schaufelrad 5 dadurch von dem Fluid im Fluidkreislauf 4 angetrieben wird und somit rotiert. Das Schaufelrad 5 ist mittelbar über eine Kupplung 10 und ein Getriebe 11 mit einer elektrischen Maschine 7 verbunden. Mithin sind die Kupplung 10 und das Getriebe 11 im Leistungsfluss zwischen dem Schaufelrad 5 und der elektrischen Maschine 7 angeordnet. Alternativ kann das Schaufelrad 5 auch unmittelbar mit der elektrischen Maschine 7 verbunden sein, wobei dann die Kupplung 10 und das Getriebe 11 entfallen. Insbesondere sind dann das Schaufelrad 5 und eine Rotorwelle der elektrischen Maschine 7 drehfest, beispielsweise einteilig miteinander verbunden. Die elektrische Maschine 7 erzeugt im Generatorbetrieb durch den Antrieb mittels Schaufelrad 5 elektrische Energie. Die elektrische Maschine 7 ist mit einem Gleichrichter 9 elektrisch verbunden, um Gleichstrom zu generieren. Der Gleichstrom kann in einem Zwischenkreis 17 verwendet werden oder über einen Wechselrichter 18 in Wechselstrom umwandelt werden. Dieser Wechselstrom kann in ein elektrisches Netz eingespeist werden.
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Stromabwärts des Schaufelrads 5 ist der Wärmetauscher 6 angeordnet und zur Abkühlung des Fluids im Fluidkreislauf 4 vorgesehen. Beispielsweise wird der Wärmetauscher 6 durch kaltes Leitungswasser versorgt, sodass darüber die Abkühlung erfolgt. Dadurch entsteht im Fluidkreislauf 4 ein Naturumlauf. Der Fluidkreislauf 4 weist einen ersten im Wesentlichen vertikal angeordneten Leitungsabschnitt 4.1 und einen zweiten im Wesentlichen vertikal angeordneten Leitungsabschnitt 4.2 auf. Das Schaufelrad 5 ist in einem oberen Abschnitt des ersten Leitungsabschnitts 4.1 des Fluidkreislaufs 4 angeordnet. Das Fluid im Fluidkreislauf 4 erfährt durch die Aufnahme der thermischen Energie aus dem Wasser im Tank 3 Auftrieb gemäß einem dritten Pfeil 16 im vertikal angeordneten Leitungsabschnitt 4.1 und strömt natürlich nach oben. Im Endbereich des ersten Leitungsabschnitts 4.1, wo das Schaufelrad 5 angeordnet ist, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Fluidkreislauf 4 maximal. Optional kann stromabwärts des Wärmetauschers 6, der vorliegend in dem zweiten Leitungsabschnitt 4.2 angeordnet ist, ein weiteres Schaufelrad angeordnet sein, über das mittels einer elektrischen Maschine elektrische Energie erzeugt werden kann.
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Das erste Ventil 8.1 ist in dem ersten Leitungsabschnitt 4.1 des Fluidkreislaufs 4 angrenzend an dem Tank 3 angeordnet und dazu eingerichtet, bei Erreichen einer Grenztemperatur des beheizten Wassers im Tank 3 einen Durchfluss des Fluids im Fluidkreislauf 4 freizugeben. Das zweite Ventil 8.2 ist in dem zweiten Leitungsabschnitt 4.2 des Fluidkreislaufs 4 angrenzend an dem Tank 3 angeordnet und dazu eingerichtet, bei Erreichen der Grenztemperatur des beheizten Wassers im Tank 3 einen Durchfluss des Fluids im Fluidkreislauf 4 freizugeben. Mithin ist unterhalb der Grenztemperatur des beheizten Wassers im Tank 3 der Durchfluss des Fluids durch das jeweilige Ventil 8.1, 8.2 gesperrt, sodass das Wasser im Fluidkreislauf 4 nicht zirkulieren kann. Beispielsweise beträgt die Grenztemperatur des beheizten Wassers im Tank 3 mindestens 50°C, insbesondere mindestens 65°C. Dies ermöglicht nicht nur einen effizienten Betrieb der Solarthermieanlage und der Vorrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie, sondern schützt den Tank 3 vor starken Temperaturschwankungen sowie einem mit hohen Temperaturen verbundenen Überdruck.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie
- 2
- Solarthermieanlage
- 3
- Tank
- 4
- Fluidkreislauf
- 4.1
- erster Leitungsabschnitt
- 4.2
- zweiter Leitungsabschnitt
- 5
- Schaufelrad
- 6
- Wärmetauscher
- 7
- elektrische Maschine
- 8.1
- erstes Ventil
- 8.2
- zweites Ventil
- 9
- Gleichrichter
- 10
- Kupplung
- 11
- Getriebe
- 12
- erster Pfeil
- 13
- zweiter Pfeil
- 14
- Ableitung
- 15
- Zuleitung
- 16
- dritter Pfeil
- 17
- Zwischenkreis
- 18
- Wechselrichter
