DE202010005061U1 - Photovoltaik-Kreislaufkraftwerk - Google Patents

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    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/06—Stations or aggregates of water-storage type, e.g. comprising a turbine and a pump
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
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Abstract

Das netzunabhängige Photovoltaik-Kreislaufkraftwerk nach 1 ist dadurch gekennzeichnet,
dass in einem 24 Stundenzyklus tagsüber Teile der Photovoltaikenergie zum Betrieb einer Pumpe, die innerhalb eines geschlossenen Systems, Wasser von einem tiefer gelegenen in einen höher gelegenen Behälter fördert und damit nachts durch den Rückfluss über einen turbinenbetriebenen Generator sonnenunabhängig Strom erzeugt wird, (3)
und dass die Wasserrückflussmenge aus dem höher gelegenen Behälter über eine füllstandsabhängige Nachlaufsteuerung dosiert wird, damit die Leistung des Generators auch bei wechselnder Füllhöhe gleich bleibt.

Description

  • Photovoltaikkraftwerke die ohne Netzanbindung betrieben werden brauchen für die nächtliche Stromproduktion zusätzliche Einrichtungen. Dazu werden nach dem Stand der Technik Teile der gewonnenen Photovoltaikenergie in Akkumulatoren gespeichert oder kraftstoffbetriebene Generatoren verwendet. Akkumulatoren sind kostenintensiv und am Ende der Nutzungszeit zu entsorgender Sondermüll. Kraftstoffbetriebene Generatoren sind kostengünstiger, verbrauchen aber teueren Kraftstoff und verursachen Co2-Belastungen.
  • Für viele Entwicklungsregionen ohne flächendeckende Netze ist daher die notwendige Nachtstromversorgung problematisch.
  • Die problemlose Co2 und abfallfreie Speicherung von PV-Energie ist der Schlüssel zur praxisorientierten Nutzung. Nur ein ausgewogener Tag- und Nachtbetrieb kann die Bedürfnisse der netzunabhängigen Endverbraucher befriedigen.
  • Dazu muss das Speichermedium überall und möglichst kostenfrei verfügbar sein. Damit das System der unabhängigen Elektrizitätsversorgung in den einzelnen Anwendungsländern zum tragen kommt, muss der technische Aufwand und die Bedienbarkeit den Möglichkeiten der Betreiber angepasst werden können.
  • Alle diese wichtigen Voraussetzungen erfüllt das im Anspruch 1 beschriebene PV-Kreislaufkraftwerk. Als Speichermedium wird gewöhnliches Wasser verwendet. Das steht fast überall wo sich Menschen ansiedeln zur Verfügung. Da es sich bei dem Kraftwerk um ein geschlossenes System handelt, wird die benötigte Speichermenge nur einmal aufgewendet. Es wird dann nur noch verdunstetes Volumen nachgefüllt. Die Qualität des Wassers ist nicht bedeutend. An Küsten kann auch Salzwasser zum Einsatz kommen.
  • Aufgrund der geringen Gefällehöhe ist das Kraftwerk ohne Einschränkungen in der Ebene einsetzbar.
  • Die Funktion
  • 1 zeigt das Kraftwerk in der Ansicht und im Schnitt.
  • 2 zeigt das Kraftwerk in der Draufsicht.
  • Die bei diesem Kraftwerkstyp gewonnene PV-Energie steht nicht ausschließlich zum Verbrauch sondern dient teilweise dem Wassertransport in einen höher gelegenen Behälter. Die PV-Gesamtleistung der gezeigten Anlage beträgt ca. 60 kW/h. Der feststehende Anteil der zurückgehaltenen Energie aus der Tagesproduktion beträgt dabei 16 kW/h. Somit sind tagsüber 44 kW/h und nachts gleichmäßig 4 kW/h verfügbar.
  • Höhere Leistungen können durch höhere Pumpen- und Wasserkapazität oder durch Anreihung identischer Anlagen und deren Verknüpfung erreicht werden.
  • Die Arbeitsphasen
  • Die Arbeitsphasen werden in 3 dargestellt:
    Morgens ist der Vorratsspeicher (1) vollständig gefüllt und die PV-Anlage (2) liefert nun ausreichend Spannung. Die Pumpen (3) füllen nun mit dem erforderlichen Stromanteil den Arbeitsbehälter (4) Abends ist der Inhalt des Vorratsspeichers vollständig im höher gelegenen Arbeitsbehälter. Die PV-Leistung fällt nun mangels Sonneneinstrahlung auf 4 kW/h. Die Stromerzeugung wird nun von der Querstömungsturbie (5) übernommen. Der Arbeitsbehälter wird bis zum Morgen vollständig über die Turbine entleert. Eine füllstandsabhängige Wasser-Nachlaufsteuerung (6) sorgt für gleichmäßige Leistung.
  • Am nächsten Morgen übernimmt die PV-Anlage wieder die Stromversorgung.
  • Berechnungsgrundlagen
  • Das Verhältnis von Minimal- und Maximalfüllstand des Arbeitsbehälters zur Höhe der Wassersäule ist abhängig vom Arbeitsbereich der verwendeten Turbine.
  • Das Verhältnis Maximalfüllstand des Arbeitsbehälters zur Sole des Vorratsspeichers ist abhängig von der Pumpenleistung.
  • Beispiel: Mit einer Pumpenleistung von 16 kW/h werden 3600 m3 in 12 Stunden auf 13,5 m zur maximalen Füllstandshöhe des Arbeitsbehälters gebracht. Bei einem Durchmesser des von 30,3 m entspricht das einem Füllstand von 5,0 m. Wird bei dem Vorratsspeicher ein Maximalfüllstand von 2,0 m verwendet, verbleiben abzüglich des Platzbedarfs der Turbine von 1,5 m eine variierende Gefällehöhe zwischen 5,0 m und 10,0 m.
  • Wird nun der Arbeitsbehälter in 12 Stunden über die Turbine entleert, ergibt das ca. 0,8 m3/sec. Damit das Übergangsfenster von PV- zu Wasserkraft und zurück gleichmäßig verläuft, werden bei Maximalfüllstand des Arbeitsbehälters die 0,8 m3/sec Turbinendurchlauf auf 0,05 m3/sec gedrosselt. Die Wassernachlaufsteuerung öffnet die Turbine linear bis zum Minimalfüllstand auf 0,1 m3/sec.
  • Das ergibt folgende Gleichung bei Maximalfüllhöhe: P = 0,05 × 10 m = 0,5 × 8,0 = 4 kW/h
    Bei Minimalfüllhöhe: P = 0,1 × 5 m = 0,5 × 8,0 = 4 kW/h.
  • Der Platzbedarf des Kraftwerks
  • Der räumliche Bedarf einer Anlage gemäß 1 liegt in der Ebene bei 5000 m2.
  • Der in der Ebene notwendige Gefällehügel (7) entspricht in seinem Volumen etwa dem Aushub des Vorratsspeichers.
  • Die PV-Anlage ist im Inneren des Arbeitsbehälters aufgeständert und so von Beschädigungen weitgehend geschützt. Als Ständermaterial findet das zum Aufbau verwendete einfache Gerüstrohr Verwendung.
  • 1
    • 1
    Vorratsspeicher
    2
    PV-Anlage
    3
    Pumpe
    4
    Arbeitsspeicher
    5
    Turbine
    6
    Nachlaufsteuerung
    7
    Gefällehügel
    8
    PV-Träger
    9
    Zulauf
    10
    Fallrohr
    11
    Generatorhaus

Claims (1)

  1. Das netzunabhängige Photovoltaik-Kreislaufkraftwerk nach 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem 24 Stundenzyklus tagsüber Teile der Photovoltaikenergie zum Betrieb einer Pumpe, die innerhalb eines geschlossenen Systems, Wasser von einem tiefer gelegenen in einen höher gelegenen Behälter fördert und damit nachts durch den Rückfluss über einen turbinenbetriebenen Generator sonnenunabhängig Strom erzeugt wird, (3) und dass die Wasserrückflussmenge aus dem höher gelegenen Behälter über eine füllstandsabhängige Nachlaufsteuerung dosiert wird, damit die Leistung des Generators auch bei wechselnder Füllhöhe gleich bleibt.
DE202010005061U 2010-04-15 2010-04-15 Photovoltaik-Kreislaufkraftwerk Expired - Lifetime DE202010005061U1 (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013144751A2 (en) * 2012-03-30 2013-10-03 International Business Machines Corporation Photovoltaic thermal hybrid solar receivers
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