DE10301878B4

DE10301878B4 - Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit

Info

Publication number: DE10301878B4
Application number: DE10301878A
Authority: DE
Inventors: Rainer Rudischer; Jörg Dr. Waschull
Original assignee: K-METALL GmbH; Metall K GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: K-METALL GmbH; Metall K GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2023-01-18
Also published as: WO2004065865A1; DE10301878A1

Abstract

Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit, die aufweist eine transportable Gehäusestruktur (2) mit zumindest einer leistungsregelbaren Kompressionskältemaschine zur Versorgung jeweils einzeln oder gruppenweise zuschaltbarer Eisbildner (13), einer Energiewandlungseinheit (3) einschließlich Steuerung, einem Energiespeicher (8), einem Speisewasser-Vorratsbehältnis (16), einem thermisch isolierten Eis-Speicher (20) sowie Hilfsaggregaten und -vorrichtungen, und einen außen an der Gehäusestruktur (2) schwenkbar angebrachten Photovoltaikgenerator (1), der die ausschließliche Energieversorgung gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft eine transportable Kompaktanlage zur Erzeugung von Wassereis, die ausschließlich durch einen Photovoltaikgenerator mit Elektroenergie versorgt wird. Bevorzugtes Einsatzgebiet der autarken, örtlich flexibel einsetzbaren und, nach Wasseranschluß innerhalb einer Stunde betriebsbereiten Anlage sind sonnenscheinreiche, warme Regionen, die nur über eine schwach entwickelte oder gar keine konventionelle Energieinfrastruktur verfügen.
Als alleinige Energiequelle hat sich die Solarenergie – neben der vielfältigen Anwendung bei Kleinverbrauchern wie Uhren, Rechnern oder Beleuchtungseinrichtungen – seit längerem besonders dort durchgesetzt, wo der Energiebedarf weitgehend synchron zum Energieangebot anfällt, z. B. bei der Bewässerung in ariden und halbariden Zonen. Aber auch für die Raum- und Lebensmittelkühlung ist die Solartechnik – namentlich durch Absorptionskälteanlagen, deren Austreiber solarthermisch beheizt werden – erfolgreich eingeführt.

Autarke photovoltaische Anwendungen für Kältezwecke sind nach wie vor nur aus der Literatur und durch vergleichsweise wenige Versuchs- bzw. Pilotanlagen bekannt (vgl. z. B. Rudischer, R.; Ulbrich, G.: Solar (photovoltaisch) angetriebene autarke Kühleinheit. 8. Symposium „Photovoltaische Solarenergie", Staffelstein 1993; Gems, B.; Fett, F.: Photovoltaische Raumkühlung als Alternative zum thermischen Verfahren. und Meliß, M. u. a.: PV-Kühlhaus – Autonomes System zur Lebensmittelkühlung. Ebenda, 1994 sowie Rittmüller, I.; Rudischer, R.: PVCOOL – Ein Simulationsprogramm zur Auslegung PV-versorgter Kühlanlagen. Ebenda, 1997).

Neben Entwicklungen für den stationären Betrieb sind auch transportable, photovoltaisch versorgte Geräte für die direkte Kühlung von Lebensmitteln bekannt. So wird beispielsweise in DE 295 06 347 U1 eine tragbare Kühlbox mit aktivem Kühlelement und in den Deckel integrierten photovoltaischen Zellen beschrieben; aus DE 100 11 540 A1 ist ein ausschließlich photovoltaisch versorgter, transportabler Kühlcontainer, dessen Inneres als Kühllagerraum für Lebensmittel oder Medikamente ausgeführt ist, bekannt. Die Kopplung einer Photovoltaikanlage mit einer Kompressionskälteanlage für ein Kühlgerät, insbesondere eine Tiefkühl- oder Eiskremtruhe, die allerdings zusätzlich zum solar versorgten Kompressor einen netzversorgten Kompressor vorsieht, wird in DE 296 13 801 U1 beansprucht.

Bereits seit langem (vgl. z. B. DE 39 20 058 A1 , WO 89/1119 A1 wird vorgeschlagen, Eis mittels solarthermisch betriebener Absorptionskälteanlagen herzustellen. Aufgrund der vergleichsweise komplizierten Anlagestruktur sind jedoch keine Anwendungen dieses Prinzips für die mobile Eiserzeugung bekannt. Auch photovoltaisch betriebene transportable Eiserzeugungsanlagen sind, obgleich gerade Wassereis wegen seiner vielfältigen Vorteile (geringe Kosten, hohe Lebensmittel- und Umweltverträglichkeit, leichte Desinfizierung bzw. Entkeimbarkeit) für die direkte Kühlung von Lebensmitteln (z. B. Fisch) in sonnenscheinreichen Regionen prädestiniert ist, nicht bekannt.

Bislang wurde nur eine stationäre, überwiegend photovoltaisch versorgte Eiserzeugungsanlage mit Batteriespeicher und Kompressionskälteanlage, die seit etwa drei Jahren in Mexiko im Pilotbetrieb ist, näher vorgestellt („First-Year Performance of the Chorreras PV-Hybrid Ice-Making System in Chihuahua, Mexico", International Solar Energy Society, Proceedings of the Millenium Solar Forum 2000, Mexico City; Mexico, 17.-22.09.2000, p. 513-518). Der PV-Generator der Anlage ist getrennt von den anderen Komponenten auf einer Betonplattform fest verankert, der Eiserzeuger befindet sich in einem separaten Gebäude.

Obgleich in den umrissenen geographischen Regionen ein hoher und kontinuierlich wachsender Bedarf an Eis für kommerzielle und private Anwendungen besteht und für die Energieversorgung entsprechender Eiserzeugungsanlagen ein ausreichend vorhandenes, solares Energieangebot zur Verfügung steht, haben bisherige Versuche hinsichtlich Einführung einer kostengünstigen solaren Kühlgutlagerung wegen der hohen Einzelstückkosten der Anlagen oder aufgrund von technischen Unzulänglichkeiten nicht zum Ziel geführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine photovoltaisch angetriebene, transportable, Standalone Kompakt-Eiserzeugungsanlage für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen angegeben werden, die kostengünstig ist. Die Anlage soll die tägliche Ver sorgung von gewerblichen Erzeugern mit Kühllager- bzw. Frischhaltebedarf (z. B. von Großerzeugern in der Fischerei- sowie Land- und Weidewirtschaft) mit Block- oder Scherbeneis gewährleisten.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2–15.

Nach Maßgabe der Erfindung ist eine solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit vorgesehen, die aus einer transportablen, geschlossenen oder offenen Gehäusestruktur und einem an ihr außen schwenkbar angebrachten Photovoltaikgenerator besteht. Die Gehäusestruktur, bevorzugt ein Container mit international standardisierten Außenabmessungen, umschließt zumindest eine leistungsregelbare Kompressionskältemaschine zur Versorgung jeweils einzeln oder gruppenweise zuschaltbarer Eisbildner, eine Energiewandlungseinheit einschließlich Steuerung, einen Energiespeicher, einen Speisewasser-Vorratsbehälter, einen thermisch isolierten Eis-Speicher sowie Hilfsaggregate und -vorrichtungen. Der Photovoltaikgenerator gewährleistet die ausschließliche Energieversorgung.

Erfindungsgemäß verfügt die Kältemaschine über mindestens zwei, einzeln schaltbare Kältemittelverdichter, die drehzahlregelbar sind und über unterschiedliche Leistunges verfügen. Die Verdampfung des Kältemittels erfolgt in abgeschlossenen Räumen innerhalb der Eisbildner oder in einem zwischengeschalteten Wärmeübertrager, die mit der Kompressionskältemaschine verbunden sind. Das verdichtete Kältemittel wird entweder in Luftkondensatoren, die außen an der Gehäusestruktur fest angebracht sind, oder in Flüssigkeitskühlern, die innerhalb der Gehäusestruktur angebracht sind, verflüssigt.

Die Eiserzeugungseinheit verfügt über einen elektrischen Energiespeicher, der überschüssige Energie aufnehmen und kurzfristig zwischenspeichern kann. Vorzugsweise kommt als Energiespeicher ein Batteriespeicher geringer Kapazität oder ein kapazitiver Elektroenergiespeicher zum Einsatz.

Der Speisewasser-Vorratsbehälter besitzt Einrichtungen zur Aufbereitung des zu gefrierenden Wassers, die wie die Einrichtungen zur Wasserzuführung gleichfalls ausschließlich photovoltaisch betrieben werden; insbesondere ist eine Einrichtung zur Entkeimung des Wassers – bevorzugt mittels UV-Bestrahlung – vorhanden. Im Eis-Speicher der Kompakt-Eiserzeugungseinheit können mindestens zwei Tagesproduktionen gelagert werden.

Ansonsten sind Hilfsaggregate und -vorrichtungen wie Wasser- und Solepumpen, Wärmetauscher, Ausgleichsgefäße, Ventile und eine geneigte Ebene, die den problemlosen Transport des erzeugten Eises in der Einheit ermöglicht, von der Gehäusestruktur umfaßt. Schließlich verfügt die solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit über eine Anschlußmöglichkeit für eine externe Stromquelle, mittels der in Notfällen (Ausfall des Photovoltaikgenerators) die Eiserzeugung aufrechterhalten werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
1 zeigt die Darstellung des Kältekreislaufs und des Solekreislaufs der solaren Eiserzeugungseinheit mit mehreren Eisbildnern. Der Photovoltaikgenerator 1 befindet sich außerhalb der geschlossenen Gehäusestruktur 2, mit der er schwenkbar verbunden ist, und liefert die erzeugte Elektroenergie an die Energiewandlungseinheit 3. Diese enthält die Steuerung des Kompakteiserzeugers sowie die leistungselektronischen Komponenten für die Bereitstellung von frequenzvariablen Wechselspannungen für die Kältemittelverdichter 4 und 5 und einer frequenzfesten Wechselspannung für weitere Verbraucher wie die Wasserpumpe 6 und die Solepumpen 7. An die Energiewandlungseinheit 3 ist ein Elektroenergiespeicher 8 angeschlossen, der kurzzeitige Energieangebotsschwankungen abpuffert und zusätzliche Energie für den Anlauf von Pumpen und Verdichtern bereitstellt. Die Kältemittelverdichter 4 und 5 besitzen unterschiedliche Kühlkapazitäten (z. B. im Verhältnis 1:2), so daß durch wahlweises Zuschalten der Verdichter (4 oder 5 oder 4 und 5) und deren drehzahlvariablen Betrieb eine optimale Anpassung des Energieverbrauchs an das Energieangebot des Photovoltaikgenerators 1 erfolgen kann. Verdichtetes Kältemittel wird in den Luftkondensatoren 9 verflüssigt, die sich außerhalb der Geshäusestruktur befinden, mit der sie fest verbunden sind. Das kondensierte Kältemittel expandiert hinter einem regelbaren Einspritzventil 10 und kann in einem Verdampferwärmetauscher 11 einer Kälteträgersole Wärmeenergie entziehen. Temperaturbedingte Volumenschwankungen der Sole werden durch ein Ausgleichsgefäß 12 ausgeglichen.
Durch die wahlweise Zuschaltung von wassergefüllten Eisbildnern 13, in denen dem zu gefrierenden Wasser durch die Sole Wärme entzogen wird, kann die Soletemperatur in einem Bereich von beispielsweise –3°C bis –7°C gehalten werden. Zur Regelung der Soletemperatur wird auch die Solepumpe 7 im Eisbildner-Kühlkreis drehzahlregelbar ausgeführt. Die erwähnte Soletemperatur ermöglicht einerseits eine akzeptable Eiserzeugungsrate und andererseits eine möglichst hohe Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche wiederum verantwortlich ist für die Energieeffizienz der Kälteerzeugung. Der Kompakteiserzeuger verfügt über so viele Eisbildner 13, daß zu Zeiten maximaler Energiebereitstellung durch den Photovoltaikgenerator 1 die gesamte erzeugte Kälteenergie ohne wesentliche Absenkung der Soletemperatur von den Eisbildnern 13 zur Eiserzeugung genutzt werden kann.
Ist in einem Eisbildner 13 der Eiserzeugungsprozeß abgeschlossen, erfolgt durch Sole, die in einem Wärmetauscher 14 mit Hilfe des heißen, kondensierten Kältemittels erwärmt wurde, ein Antauen des Eiskörpers. Dazu wird die entsprechende Eisform mit Hilfe der ihr zugeordneten Dreiwegeventile 15 vom Sole-Kühlkreis getrennt und mit dem Sole-Heizkreislauf verbunden. Anschließend kann der Eiskörper leicht, z. B. durch Neigen der Eisform, aus dieser entfernt werden. Die Abkühlung des Kältemittels im Wärmetauscher 14 führt zu einer zusätzlichen Effizienzsteigerung des Kältekreislaufs.
2 zeigt schematisch die Wasserversorgung der Eisbildner 13 sowie die Einrichtungen zur Eisspeicherung. Vorzugsweise zu Zeiten eines hohen Energieangebots wird mit Hilfe der Wasserpumpe 6 der Wasserspeicher 16 gefüllt. Innerhalb des Wasserspeichers 16 befinden sich die Einrichtungen zur Aufbereitung des zu gefrierenden Wassers 17. Nach dem Entfernen des Eiskörpers wird der entsprechende Eisbildner 13 über eines der Ventile 18 mit frischem Wasser gefüllt und steht erneut für einen Eisbildungsprozeß zur Verfügung. Das fertige Eis gleitet über eine geneigte Ebene 19 in den thermisch isolierten Eis-Speicher 20. Wird frisches Eis benötigt, kann dieses von außerhalb der Gehäusestruktur des Kompakteiserzeugers aus diesem Speicher 20 entnommen werden.

1: Photovoltaikgenerator
2: Gehäusestruktur
3: Energiewandlereinheit
4: Kältemittelverdichter
5: Kältemittelverdichter
6: Wasserpumpe
7: Solepumpen
8: Elektroenergiespeicher
9: Luftkondensatoren
10: regelbares Einspritzventil
11: Verdampferwärmetauscher
12: Ausgleichsgefäß
13: wassergefüllte Eisbildner
14: Wärmetauscher
15: Dreiwegeventile
16: Wasserspeicher/Speisewasser-Vorratsbehältnis
17: Einrichtungen zur Aufbereitung des zu gefrierenden Wassers
18: Ventile
19: geneigte Ebene
20: thermisch isolierter Eis-Speicher

Claims

Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit, die aufweist eine transportable Gehäusestruktur (2) mit zumindest einer leistungsregelbaren Kompressionskältemaschine zur Versorgung jeweils einzeln oder gruppenweise zuschaltbarer Eisbildner (13), einer Energiewandlungseinheit (3) einschließlich Steuerung, einem Energiespeicher (8), einem Speisewasser-Vorratsbehältnis (16), einem thermisch isolierten Eis-Speicher (20) sowie Hilfsaggregaten und -vorrichtungen, und einen außen an der Gehäusestruktur (2) schwenkbar angebrachten Photovoltaikgenerator (1), der die ausschließliche Energieversorgung gewährleistet.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusestruktur (2) international standardisierte Außenabmessungen aufweist.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine über mindestens zwei, einzeln schaltbare Kältemittelverdichter (4, 5) verfügt.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelverdichter (4, 5) drehzahlregelbar sind und über unterschiedliche Leistungen verfügen.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung des Kältemittels in abgeschlossenen Räumen innerhalb der Eisbildner (13) erfolgt.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionskältemaschine und die Eisbildner (13) über einen Kälteträgerkreislauf miteinander verbunden sind.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (8) ein Batteriespeicher geringer Kapazität oder ein kapazitiver Elektroenergiespeicher ist.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisewasser-Vorratsbehälter (16) eine oder mehrere Einrichtungen zur Aufbereitung des zu gefrierenden Wassers aufweist.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisewasser-Vorratsbehälter (16) eine Einrichtung zur Entkeimung des Wassers mittels UV-Bestrahlung aufweist.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eis-Speicher (20) eine Aufnahmekapazität von mindestens zwei durchschnittlichen Tagesleistungen des Eiserzeugers aufweist.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1 – 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie über ausschließlich photovoltaisch betriebene Einrichtungen zur Wasserzuführung und Wasseraufbereitung verfügt.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Kältemittel in Luftkondensatoren (9) verflüssigt wird, die außen an der Gehäusestruktur (2) fest angebracht sind.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Kältemittel in Flüssigkeitskühlern verflüssigt wird, die innerhalb der Gehäusestruktur (2) untergebracht sind.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsaggregate und -vorrichtungen aus Wasser- und Solepumpen (6, 7), einem Einspritzventil (10), einem Verdampferwärmetauscher (11), einem Ausgleichsgefäß (12), ein Wärmetauscher (14), Dreiwegeventilen (15), Ventilen (18) und einer/geneigten Ebene (19) bestehen.
Solare Kompakt-Eiserzeugungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie über eine Anschlußmöglichkeit für eine externe Stromquelle verfügt.