DE19502070A1

DE19502070A1 - Solarthermische Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie und Wärme

Info

Publication number: DE19502070A1
Application number: DE19502070A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reschberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-10-04
Filing date: 1995-01-16
Publication date: 1996-04-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie und Wärme. Weiterhin soll bei mangelndem Strahlungsangebot von der Sonne ein Wärme-Kraft-Betrieb über eine externe Wärmequelle erfolgen.

Stand der Technik

Bisher bekannte solarthermische Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie, werden bisher nur in südlichen Regionen und in größeren Leistungsbereichen ausgeführt. Sogenannten Solarfarmanlagen mit Parabolrinnen arbeiten mit Öl das nahezu drucklos in den Absorberrohren die Strahlungsenergie aufnimmt. Die Wärmeenergie kann gespeichert werden oder aber über einen Wärmetauscher an einen sekundären Kreislauf übertragen werden, in dem ein Arbeitsmittel z. B. Wasser verdampft und auf eine Turbine geleitet wird (DE 28 33 890 A1, DE 38 34 703 A1, DE 41 20 943 A1), (Energie- und Wärmetechnik, R. Herbrik, Teubner Studienskripte).

Bei neueren Konzepten von Solarfarmanlagen wird das Arbeitsmittel direkt im Absorberrohr der Parabolrinne verdampft, dies wird zur Zeit in Almeria mit Wasser im Temperaturbereich < 400°C erprobt.

(Direct Solar Steam in Parabolic Trough Collectors (DISS), By M. Müller (ZWS) under contract of PSA (May 1994)).

Bei diesen Großanlagen wird versucht durch hohe Temperaturen um 400°C und verdampfen von Wasser einen hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erreichen. Die Parabolrinnen sind dabei aneinandergereiht. Die Arbeitstemperaturen von 400°C und eine direkte Verdampfung bei diesen Temperaturen in den Rohren beansprucht das Rohrmaterial und die selektive Beschichtung des Absorbers sehr. Auch die Verwendung von Kupferrohren wird angesichts einer genügenden Langzeitstabilität fraglich. Durch die Aneinanderreihung der Parabolrinnen ist es erforderlich die Absorberrohrdurchmesser zu erhöhen, um entsprechende Masseströme durch das Rohr gewährleisten zu können. Dies erfordert aber wieder die Spiegel zu verbreitern um den Konzentrationsfaktor beizubehalten. Weiterhin entstehen erhebliche Kosten und Verluste durch die Übertragung der elektrischen Energie nach Mitteleuropa. Die anfallende Wärmeenergie kann diesen Mengen kaum genutzt werden. Des weiteren werden große Flächen für diese Art Anlagen benötigt. Nachteil der sich hier am Markt befindenden PV-Anlagen und Flachkollektoranlagen ist, daß für die Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme zwei getrennte Anlagen benötigt werden, was Installations-, Herstellungs- und Wartungskosten gegenüber einer Anlage erheblich vergrößert. Weiterhin ist ein integriertes Konzept zusammen mit Primärenergieträgern (Wärme- Kraft-Betrieb) nicht möglich. Zudem sind die Kosten für eine PV-Anlage noch erheblich.

Aufgabe

Für ungünstigere Klimazonen, z. B. Mittel- und Nordeuropäische Breiten soll eine Solaranlage geschaffen werden, die auf die Kollektoroberfläche eingestrahlte Sonnenenergie wirtschaftlich in elektrische Energie und Wärme umsetzt. Die Anlage soll auch für kleinere Flächen ab 10 Quadratmeter mit derzeit am Markt befindlichen PV-Anlagen und Flachkollektoranlagen konkurrieren können. Ebenso soll sie auf Flachdächern aufgeständert sowie auf Schrägdächer montiert, beziehungsweise integriert werden können. Desweiteren soll sie auch nachts oder bei mangelnder Sonneneinstrahlung, durch den Anschluß einer mit z. B. mit Primärenergie betriebenen Wärmequelle durch einen Wärme-Kraft- Betrieb eine rationellere Primärenergienutzung ermöglichen.

Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 bis 8 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 5 erläutert, eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des Kollektors wird anhand von Fig. 6 und Fig. 7 beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kollektorfeld geschnitten,

Fig. 2 die Daraufsicht auf das Kollektorfeld geschnitten,

Fig. 3 ein Absorberrohr und die Lagerung des Kollektors,

Fig. 4 Querschnitt durch den Absorber,

Fig. 5 Prinzipschaltbild der Gesamtanlage,

Fig. 6 weitere Ausgestaltung des Kollektors (quergeschnitten),

Fig. 7 weitere Ausgestaltung des Kollektors (Draufsicht).

In Fig. 1 sind die Parabolrinnen 2 in Stellung für senkrechte Sonneneinstrahlung gezeigt, die Sonnenstrahlen werden auf die Absorberrohre 1 konzentriert, wobei die Parabolrinnen auf Gleitbuchsen 4 über die Nachführeinrichtung (im oberen Teil des Kollektorfeldes) einachsig um die Absorberrohre nachgeführt werden. Das Kollektorfeld ist zum Schutz gegen Witterungseinflüsse in einem Gehäuse 10 montiert und mit einer Glasscheibe 3 abgedeckt. Absorberrohr 1 und Dosierrohr 14 sind in einem evakuierten Glasrohr 43 untergebracht, welches am unteren Ende der Parabolrinne durch die Absorberrohre und Dosierrohre selbst, am oberen Ende durch eine Halterung 48 in der richtigen Stellung gehalten werden. Die Parabolrinnen sind an Rohren 44, 45 befestigt die auf beiden Seiten in Gleitbuchsen 4 gelagert sind. Die Gleitbuchsen wiederum sind in den Trennwänden 49, 50 befestigt. Die Glasscheibe 3 reicht vorzugsweise nur von Trennwand 49 zu Trennwand 50. Die Nachführeinrichtung und die Rohranschlüsse sind zum Zweck der Wartungsfreundlichkeit durch abnehmbare Bleche abdeckt. Über ein Rohr 6 wird das Arbeitsmittel z. B. Wasser, Iso Pentan, Toluol oder ein FCKW Ersatzstoff für diesen Temperaturbereich zu den dünneren Dosierrohren 14 transportiert. Diese sind mit den Absorberrohren verbunden und verlaufen vorzugsweise außerhalb neben dem Absorberrohr bis zu dessen Ende.

Denkbar ist auch das Dosierrohr im Inneren des Absorberrohrs zu führen.

Das Arbeitsmittel wird mit Überdruck über eine Düse 46 turbulent in das Absorberrohr eingesprüht und verdampft anschließend. Durch Fahnen oder Hindernisse beim Durchströmen des Rohres wird es in einer turbulenten Strömung gehalten. Anstatt das Arbeitsmittel durch die Düse mit Überdruck einzuspritzen, ist es auch möglich, es unter geringem Überdruck, in das Absorberrohr zu leiten und es durch eine günstige Form der Einleitungsstelle gleichmäßig an der Wandung des Absorberrohrs zu verteilen. Durch die relativ große Neigung der Kollektoren (< 30°) in mitteleuropäischen Breiten und eine besondere Gestaltung der inneren Struktur der Rohrwandung (siehe Fig. 4), wird es durch Schwerkrafteinfluß relativ gleichmäßig verteilt an der Rohrwandung hinunterlaufen und verdampfen.

Um eine günstige Wärmeübertragung vom Absorberrohr auf das Arbeitsmittel zu gewährleisten, ist es auch denkbar auf die Innenwandung des Rohres ein Geflecht von dünnen Drähten gut wärmeleitend mit dem Rohr verbunden aufzubringen. Der Dampf aus den Absorberrohren wird im wärmeisolierten Rohr 7 einem Dampfsammler 38 zugeführt. Über ein regelbares Ventil 39 wird er dann auf die Turbine 17 geleitet. Die Drehzahl der Turbine wird über das Ventil 39 geregelt über das Getriebe 40 wird ein Generator angetrieben. Die elektrische Energie kann ins Netz eingespeist werden aber auch ein Inselbetrieb ist möglich. Um den Aufbau relativ kompakt zu gestalten und damit Kosten zu senken und Verluste zu vermeiden, kann es sinnvoll sein die Kondensatpumpe 27 über eine Kupplung 41 an ein zweites Wellenende des Generators anzuflanschen. Über einen Druckmesser und einen Zweipunktregler wird bei Druckabfall die Pumpe 27 über die Kupplung aktiviert und der Druck behälter 29 nachgefüllt. Die Pumpe 27 kann natürlich auch separat über einen eigenen Motor angetrieben werden. Über Ventil 35 und einen Regeler wird die Menge des Arbeitsmittels in Abhängigkeit von der Dampftemperatur dosiert. Die Dampftemperatur wird im Dampfsammelrohr 7 mit einem Temperaturfühler gemessen. Je nach Größe des Kollektorfelds und Homogenität der Einstrahlung, kann es sinnvoll sein das Kollektorfeld in Gruppen aufzuteilen und jede Gruppe über ein zugehöriges Regelventil, Temperaturfühler und Regler einzeln zu regeln. Die Dampfströme der einzelnen Gruppen werden dann wiederum in einem größeren Rohr gesammelt. Der entspannte Dampf, wird im ersten Wärmetauscher 37 des Kondensators genützt um im Gegenstrom das Kondensat vorzuwärmen. Im zweiten Wärmetauscher 36 wird der Dampf nochmals im Gegenstrom gekühlt und kondensiert. Die Kühlung erfolgt über einen Kühler 22 oder bei Wärmebedarf über einen Pufferspeicher 21. Die Nachführeinrichtung ist im oberen Teil des Kollektors untergebracht und durch ein abnehmbare Blechabdeckung zugänglich. Die Parabolrinnen werden über das obere Rohr 44, an dem sie befestigt sind, gedreht.

Das Rohr 44 ist durch Gleitbuchsen 4 gelagert, die in der Trennwand 49 befestigt sind. Auf Rohr 44 befinden sich Rollen 5, die über Zahnriemen 13 miteinander verbunden sind. Über einen Schrittmotor 11 der von einer Elektronik angesteuert wird, werden die Parabolrinnen zeitgesteuert der Sonne nachgeführt. Um eine raumsparende Anordnung zu schaffen, sind Wärmetauscher 37, 36 in einem Behälter 19 untergebracht und durch eine Schild 43 welches den Dampf an einer Stelle durchläßt getrennt. Da die Dampfmengen bei diesen kleineren Anlagen relativ gering sind, kommt vorzugsweise eine Turbine in Frage, die einstufig, radial von außen nach innen durchströmt wird und über mindestens eine Düse beaufschlagt wird, natürlich sind auch Kolbenmaschinen, oder Schraubenexpaner für die Umwandlung in kinetische Energie denkbar. Die Arbeitstemperaturen sollen bei der Verwendung von Wasser bis 300°C liegen, bei der niedriger siedenderen Stoffen entsprechend kleiner. Die Rohre sind vorzugsweise aus Kupfer und durch Hartlöten verbunden.

Fig. 3 zeigt die vergrößerte Ansicht des Absorberrohrs, besonders deutlich sollen die Lagerung der Parabolrinnen in den Trennwänden 49, 50 über Gleitbuchsen 4 und Rohre 44, 45, die Halterung 48 und den Stützring 47 im Glasrohr, das Absorberrohr 1, das Dosierrohr 14 und die Düse 46 gezeigt werden.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Absorber und die Innenstruktur des Absorberrohres. Eine große und rauhe Oberfläche steigert die Wärmeübertragung vom Rohr auf das Arbeitsmittel.

Über die Anschlüsse für eine externe Wärmequelle 34 (Öffnen von Ventilen 30, 31; Schließen Ventile 32, 33) kann die Anlage zusätzlich im Wärme-Kraft-Betrieb gefahren werden.

Fig. 6 und Fig. 7 zeigen eine weitere Ausgestaltungs möglichkeit des Kollektors. Bei dieser Ausführung gibt es keine durchgängige Glasscheibe 3 sondern die Glasscheiben sind direkt auf den Rinnen festgemacht. Auch der Behälter ist hier nicht durchgängig. Nur die Nachführeinrichtung im oberen Teil und die Anschlüsse im unteren Teil sind durch Gehäuse geschützt. Im Bereich der Parabolrinnen übernehmen L-Profile 51 die tragende Funktion des Behälters. Vorteil dieser Ausführung ist, daß sie auch noch gute Leistung erbringt, wenn die Sonnenstrahlen sehr schräg einfallen z. B. morgens oder abends, da Da Reflexionsverluste an der Glasscheibe in diesem Fall sehr gering sind.

Die Anlage liefert elektrische Energie und Wärme. Vergleicht man das mit am Markt befindlichen PV- sowie Kollektoranlagen zur Warmwasserbereitung, so sind zu erwartende Installations-, Wartungs- und Herstellungskosten für eine Anlage deutlich geringer anzusetzen. Die Anlage ist für dezentralen Einsatz geeignet, was Übertragungsverluste minimiert, und sie schnell und flexibel einsetzbar macht.

Claims

1. Solaranlage zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Parabolrinnen (2) parallel nebeneinander in einem Behälter (10) untergebracht sind, daß der Behälter (10) oben durch eine Glasscheibe (3) geschlossen ist, daß die Parabolrinnen (2) drehbar um die Absorberrohre (1) gelagert sind, daß die Absorberrohre (1) nicht mitdrehen, daß Parabolrinnen (2) durch Drehen einachsig der Sonne nachgeführt werden, daß das Arbeitsmittel in die Absorberrohre (1) geleitet wird, daß das Arbeitsmittel direkt in den Absorberrohren (1) verdampft wird, daß der Dampf des Arbeitsmittels aus den Absorber rohren (1) in einem wärmeisolierten Rohr (7), das mit jedem Absorberrohr (1) verbunden ist, gesammelt wird, daß der erzeugte Dampf zur Erzeugung von kinetischer Energie dient, daß die anfallende Wärmeenergie zur Erzeugung von Warmwasser genutzt wird.

2. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel von einem dicken Rohr (6) durch ein dünnes Dosierrohr (14), das neben dem Absorberrohr (1) bis zu dessen Ende geführt wird über eine Düse (46) turbulent eingesprüht wird, daß der ausströmende Dampf über Fahnen oder Strömungshindernisse im Rohr in einer turbulenten Strömung gehalten wird, daß um eine günstige Wärmeüber tragung vom Absorberrohr auf das Arbeitsmittel zu gewährleisten die Innenwandung des Rohres mit einem Geflecht von dünnen Drähten die gut wärmeleitend mit der Rohrinnenseite verbunden sind ausgeführt wird.

3. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Glasröhre (43) evakuiert ist, daß das Absorberrohr (1) und das Dosierrohr (14) durch das Verbindungs stück (52) hindurchgehen, daß das Verbindungsstück einen druckfesten Verschluß zwischen Absorberrohr (1), Dosierrohr (14) und dem Glasrohr (43) bildet, daß das Absorberrohr (1) und Dosierrohr (14) im Glasrohr (43) miteinander verbunden sind und durch mindestens einen Ring (47) im Glasrohr (43) gestützt werden.

4. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß Parabolrinnen (2) mit Rohren (44) und (45) verbunden sind, daß Rohre drehbar in Gleitbuchsen (4) gelagert sind, daß Gleitbuchsen (4) in Trennwänden (49) und (50) befestigt sind, daß Gleitbuchsen (4) im unteren Teil des Kollektorfeldes tragende und führende Funktion haben, während Gleitbuchsen (4) im oberen Teil des Kollektorfelds nur führende Funktion besitzen, daß sich zwischen Trennwand (49) und Behälterwandung die Nachführeinrichtung befindet, daß sich zwischen Trennwand (50) und Behälterwandung Anschlüsse für die Absorberrohre befinden, daß sich auf den Rohren (44), fest verbunden jeweils zwei Rädern (5) befinden, daß zwei in sich geschlossene Riemen (13) die über die Räder (5) laufen und jeweils mit einer der benachbarten Parabolrinne verbunden sind, daß eines der Räder (5), vorzugsweise eines der an einer äußeren Parabolrinne über einen Riemen (13) mit einem Rad verbunden ist, daß auf der Welle eines Motors (11) sitzt, daß die Riemen und Räder vorzugsweise gezahnt sind.

5. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf aus den Absorberrohren in einem wärmeisolierten Rohr (7) einem Dampfsammler (38) zugeführt wird, daß er über ein regelbares Ventil (39) wird er dann auf die Turbine (17) geleitet wird, die Drehzahl der Turbine (17) über daß Ventil (39) geregelt wird, daß der Generator (18) über das Getriebe (40) angetrieben wird, daß die elektrische Energie ins Netz eingespeist wird, daß ein Inselbetrieb möglich ist, daß die Kondensatpumpe (27) über eine Kupplung (41) an ein zweites Wellenende des Generators (18) angeflanscht ist, daß bei Druckabfall im Druckbehälter (29) die Pumpe über die Kupplung aktiviert wird, daß Ventil (35) die Menge des Arbeitsmittels in Abhängigkeit von der Dampftemperatur die am Ende des Kollektorfelds auftritt regelt, daß je nach Größe des Kollektorfelds und Homogenität der Einstrahlung das Kollektorfeld in Gruppen aufgeteilt wird, daß jede Gruppe über ein zugehöriges Regelventil, Temperaturfühler und Regler einzeln geregelt wird, daß der entspannte Dampf im ersten Wärmetauscher (37) des Kondensators (19) genützt wird um im Gegenstrom das Kondensat vorzuwärmen, daß im zweiten Wärmetauscher (36) der Dampf nochmals im Gegenstrom gekühlt und kondensiert wird, daß die Kühlung über einen Kühler (22) oder bei Wärmebedarf über einen Pufferspeicher (21) erfolgt, daß Kondensat mit der Kondensatpumpe (27) durch ein Rückschlagventil (28) in einen Druckausgleichsbehälter (29) gepumpt wird, daß um eine raumsparende Anordnung zu schaffen Wärmetauscher (37) und (36) im Kondensator (19) untergebracht sind und durch eine Schild (43) welches den Dampf an einer Stelle durchläßt getrennt.

6. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (17) einstufig ausgeführt ist, daß sie radial von außen nach innen durchströmt und über mindestens eine Düse beaufschlagt wird, daß Absorberrohr (1), Dosierrohr (14), Rohr (7) und Rohr (6) vorzugsweise mit Kupfer ausgeführt werden das durch Hartlöten verbunden sind.

7. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß durch den Anschluß einer externen Wärmequelle an die Anschlüsse (34), durch Schließen von Ventil (32), (33) und Öffnen von Ventil (30), (31) die Anlage im Wärme-Kraft- Betrieb gefahren werden kann.

8. Solarthermische Anlage dadurch gekennzeichnet, daß die Glasscheibe (3) des Kollektors direkt auf den drehbaren Parabolrinnen befestigt ist, daß Gehäuse für Nachführeinrichtung oben und Gehäuse für Rohranschlüsse unter über Profilstangen verbunden sind.