DE202011110227U1

DE202011110227U1 - Kombinierte Photovoltaik- und Solarthermieanlage

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Publication number: DE202011110227U1
Application number: DE202011110227U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2013-02-15
Anticipated expiration: 2021-05-27
Also published as: WO2012159763A3; DE102011050643B4; DE102011050643A1; WO2012159763A2

Abstract

Kombinierte Photovoltaik-, und Solarthermieanlage (10), die Folgendes umfasst: – mindestens ein Solarmodul (12), das photovoltaische Solarzellen (14) und einen Solarmodul-Wärmetauscher (22) umfasst, wobei der Solarmodul-Wärmetauscher (22) eine Fluidleitung (24) zum Durchleiten eines Solarmodulfluids (26) umfasst, und der Solarmodul-Wärmetauscher (22) geeignet ist, Wärme von den photovoltaischen Solarzellen (14) auf das Solarmodulfluid (26) zu übertragen, – einen Wärmespeicher (32) zum Speichern eines Wärmespeicherfluids, und – Mittel (30, 42) zum Übertragen von Wärme von dem Solarmodulfluid (26) auf das Wärmespeicherfluid, wobei die Mittel zum Übertragen von Wärme von dem Solarmodulfluid (26) auf das Wärmespeicherfluid eine Wärmepumpe (42) umfassen, mit einem ersten Wärmetauscher (40) zur Aufnahme von Wärme aus dem Solarmodulfluid (26) durch ein Arbeitsmittel und einem zweiten Wärmetauscher (44) zur Abgabe von Wärme von dem Arbeitsmittel auf das Wärmespeicherfluid, wobei der erste und/oder der zweite Wärmetauscher (40, 44) eine Doppelrohrstruktur aufweist, die aus einem Außenrohr oder -schlauch...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet regenerativer Energietechnik. Genauer betrifft sie eine kombinierte Photovoltaik- und Solarthermieanlage.
HINTERGRUND UND VERWANDTER STAND DER TECHNIK
Aus der WO 2007/144113 A1 ist ein Solarmodul bekannt, das photovoltaische Solarzellen und einen Solarmodul-Wärmetauscher umfasst. Der Solarmodul-Wärmetauscher umfasst eine Fluidleitung zum Durchleiten eines Solarmodulfluids und ist geeignet, Wärme von den photovoltaischen Solarzellen auf das Solarmodulfluid zu übertragen.
Solche Solarmodule mit Solarmodul-Wärmetauscher wurden vorgeschlagen, um die Solarzellen kühlen zu können. Denn es ist eine bekannte Tatsache, dass die Leistung von photovoltaischen Solarzellen stark von deren Temperatur beeinflusst wird, die ihrerseits durch die Umgebungstemperatur und Bestrahlungsstärke der Sonne bestimmt wird. Bei zunehmender Temperatur sinkt die Lehrlaufspannung der Solarzellen stark ab, wohingegen der Kurzschlussstrom nur leicht ansteigt. Dies führt zu einer spürbaren Reduzierung der Leistung, die dem Produkt der beiden genannten Größen entspricht, und somit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Empirische Messungen haben ergeben, dass der Wirkungsgrad von typischen Solarzellen pro °C um etwa 0,5% abnimmt. Damit ist klar, dass sich der Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage durch Kühlung der Solarzellen erheblich steigern lasst.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Wärme, die das Solarmodulfluid beim Durchfluss durch die Solarmodul-Wärmetauscher aufnimmt, sinnvoll genutzt wird, beispielsweise zur Brauchwassererwärmung, Heizung etc. Dies funktioniert jedoch nur dann wirklich effizient, wenn das Solarmodulfluid eine höhere Temperatur hat als das Medium, das die Wärme des Solarmodulfluids aufnehmen soll. Dies ist bei der Brauchwassererwärmung nur in Grenzen möglich, da zumindest bei weniger starker Sonneneinstrahlung die Temperatur des Solarmodulfluids hierzu nicht ausreichen wird. Zwar besteht grundsätzlich die Möglichkeit, das Solarmodulfluid durch langsameren Durchfluss durch die Solarmodul-Wärmetauscher stärker zu erwärmen, allerdings wird dadurch die Kühlung der Solarzellen verschlechtert und somit der erstrebte Effizienzgewinn in der Erzeugung elektrischer Leistung geschmälert. Stattdessen ist aus Sicht der Stromerzeugung ein größerer Durchfluss des Solarmodulfluids durch die Solarmodul-Wärmetauscher vorzuziehen, der eine bessere Kühlung bewirkt.
Grundsätzlich ist es möglich, die in dem Solarmodulfluid bei vergleichsweise geringer Temperatur enthaltene Wärme durch eine Wärmepumpe nutzbar zu machen. Allerdings treten dabei unmittelbar praktische Probleme auf. Ein wesentliches Problem hierbei ist der Wärmeaustausch zwischen dem Solarmodulfluid und dem Arbeitsmedium einer Wärmepumpe. Kommerziell erhältliche Wärmepumpen lassen nur einen sehr begrenzten Durchfluss des Wärmemittels durch den zugehörigen Wärmetauscher zu. Die zum Zwecke der effizienten Kühlung der Solarzellen erstrebenswerte Flussrate des Solarmodulfluids lässt sich daher mit einer herkömmlichen Wärmepumpe kaum in Einklang bringen. Dies gilt umso mehr, je größer die durch Solarmodule bedeckte Fläche ist, da sich die Gesamtflussrate proportional mit der Anzahl der Solarmodule erhöht.
Schließlich muss die Nutzung der Solarmodulfluid-Wärme auch wirtschaftlich sinnvoll sein. Beispielsweise macht es wenig Sinn, eine Wärmepumpe vorzusehen, wenn deren Investitionskosten in einem zu ungünstigen Verhältnis zu dem möglichen Energiegewinn stehen, oder wenn der Energieverbrauch, der benötigt wird, um das Solarmodulfluid mit großer Flussrate durch und gegen den Widerstand der Wärmetauscher zu pumpen, den Gesamtwirkungsgrad erheblich herabsetzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demnach besteht Bedarf für eine kombinierte Photovoltaik- und Solarthermieanlage, die gleichzeitig eine effiziente Kühlung der Solarzellen und eine effektive wirtschaftliche Nutzung der von dem Solarmodulfluid aufgenommenen Wärme gestattet. Insbesondere besteht Bedarf für eine solche Anlage, die auch bei größeren genutzten Dachflächen und somit entsprechend größerer Anzahl von Solarmodulen wirtschaftlich arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch eine Solaranlage nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die kombinierte Photovoltaik- und Solarthermieanlage der Erfindung umfasst mindestens ein Solarmodul, das photovoltaische Solarzellen und einen Solarmodul-Wärmetauscher umfasst. Typischerweise wird die Anlage jedoch eine Vielzahl von Solarmodulen umfassen, die insgesamt beispielsweise eine Fläche von mehr als 20 m², vorzugsweise sogar mehr als 40 m² oder mehr als 80 m² abdeckt. Der Solarmodul-Wärmetauscher umfasst dabei eine Fluidleitung zum Durchleiten eines Solarmodulfluids ist geeignet, Wähne von den photovoltaischen Solarzellen auf das Solarmodulfluid zu übertragen. Ferner umfasst die Anlage der Erfindung einen Wärmespeicher zum Speichern eines Wärmespeicherfluids und Mittel zum Übertragen von Wärme von dem Solarmodulfluid auf das Wärmespeicherfluid. Schließlich umfassen die Mittel zum Übertragen von Wärme von den Solarmodulfluid auf das Wärmespeicherfluid eine Wärmepumpe, mit einem ersten Wärmetauscher für Aufnahme von Wärme aus dem Solarmodulfluid durch ein Arbeitsmittel und einem zweiten Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme von dem Arbeitsmittel auf das Wärmespeicherfluid, wobei der erste und/oder der zweite Wärmetauscher eine Doppelrohrstruktur aufweist, die aus einem Außenrohr oder -schlauch und einem darin angeordneten wärmeleitfähigen Innenrohr oder -schlauch besteht.
Der Erfinder hat festgestellt, dass die oben beschriebenen Probleme bei einer kombinierten Photovoltaik- und Solarthermieanlage, die eine derartige Wärmepumpe verwendet, auf sehr vorteilhafte und effiziente Weise gelöst werden können. Wenn der erste Wärmetauscher der Wärmepumpe die beschriebene Doppelrohrstruktur hat, können sehr große Flussraten von Solarmodulfluid durch die Wärmepumpe geleitet werden, ohne dass der Strömungswiderstand unmäßig ansteigt. Dadurch wird die für das Solarmodulfluid benötigte Pumpleistung vergleichsweise gering gehalten und somit die Effizienz der Anlage als Ganzes erhöht. Die Fähigkeit zur Aufnahme größerer Flussraten des Solarmodulfluids macht sich auf zweifache Weise positiv bemerkbar. Zum einen kann durch eine höhere Flussrate pro Solarmodul eine effizientere Kühlung der Solarzellen erreicht werden, wodurch deren Wirkungsgrad und damit der Wirkungsgrad der Anlage als Ganzes erhöht wird. Zum anderen kann die Anzahl von Solarmodulen in der Anlage erhöht werden, sodass auch größere Dachflächen voll und effizient genutzt werden können, ohne dass sich die Kosten für den Rest der Anlage wesentlich erhöhen.
Ferner lassen sich die Wärmetauscher mit der beschriebenen Doppelrohrstruktur sehr einfach und kostengünstig herstellen und.
Vorzugsweise sind das Außenrohr/der Außenschlauch und/oder das Innenrohr/der Innenschlauch flexibel. In der folgenden Beschreibung wird zwischen den Begriffen „Schlauch” und „Rohr” nicht mehr unterschieden, vielmehr wird jede Art „Schlauch” als Spezialfall eines (flexiblen) Rohres betrachtet. Wenn das Außenrohr und das Innenrohr flexibel sind, lässt sich die Doppelrohrstruktur platzsparend zusammenlegen, insbesondere aufrollen. Auf diese Weise ist es möglich, selbst sehr lange Doppelrohrstrukturen einfach und platzsparend aufgerollt in einem Gehäuse mit moderaten Abmessungen anzuordnen, und dennoch eine ausreichend lange Flussstrecke innerhalb des Wärmetauschers zu gestatten.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Doppelrohrstruktur in Schlaufen um einen Verdichter der Wärmepumpe gelegt, bei dem es sich beispielsweise um einen Scrollverdichter handeln kann.
In eine vorteilhaften Ausführungsform besteht das Außenrohr aus synthetischem Gummi, das vorzugsweise ölbeständig und hochzugfest ist. Ein solches Außenrohr ist vergleichsweise preiswert, in praktisch beliebigen Längen erhältlich und lässt sich ohne weiteres platzsparend aufrollen.
Das Innenrohr besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Edelstahl und ist insbesondere als Wellrohr ausgebildet, um die Oberfläche zu vergrößern und damit die Effizienz des Wärmetauschers zu erhöhen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform hat das Außenrohr einen Innendurchmesser von 15 bis 120 mm, vorzugsweise von 50 bis 100 mm. Das Innenrohr hat vorzugsweise einen Innendurchmesser von 10 bis 50 mm, besonders vorzugsweise von 20 bis 40 mm. Derartige Abmessungen haben sich für Anlagen nach der Erfindung als besonders geeignet erwiesen.
Vorzugsweise hat der erste Wärmetauscher eine Länge von 2 bis 30 m, besonders vorzugsweise von 4 bis 15 m.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Mittel zum Übertragen von Wärme von dem Solarmodulfluid auf das Wärmespeicherfluid mindestens einen, vorzugsweise mindestens zwei bezüglich des Flusses des Solarmodulfluids parallel angeordnete dritte Wärmetauscher. Über diesen mindestens einen dritten Wärmetauscher kann die Wärme von dem Solarmodulfluid auch direkt, d. h. ohne Umweg über die Wärmepumpe auf das Wärmespeicherfluid übertragen werden. Dieser dritte Wärmetauscher kann zum Einsatz kommen, wenn die absolute Temperatur des Solarmodulfluids und/oder die Temperaturdifferenz zwischen dem Solarmodulfluid und dem Wärmespeicherfluid ausreichend groß ist, um einen effizienten direkten Wärmetransfer zu gestatten. In diesem Fall arbeitet die Anlage besonders effizient, weil die zusätzliche Energie für den Betrieb der Wärmepumpe gespart werden kann.
Vorzugsweise umfasst der Wärmespeicher einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt, wobei im Betrieb die mittlere Temperatur im unteren Abschnitt des Wärmespeichers geringer ist als im oberen Abschnitt. Dabei beträgt der Temperaturunterschied zwischen der mittleren Temperatur im unteren Abschnitt und der mittleren Temperatur im oberen Abschnitt vorzugsweise mindestens 15°C, besonders vorzugsweise mindestens 30°C. Der mindestens eine dritte Wärmetauscher, der zur Übertragung von Wärme von dem Solarmodulfluid auf das Wärmespeicherfluid bestimmt ist, ist dabei vorzugsweise in dem genannten unteren Abschnitt des Wärmespeichers angeordnet, d. h. dem Abschnitt niedrigerer Temperatur. Auf diese Weise lässt sich die Wärme aus dem Solarmodulfluid effizienter auf das Wärmespeicherfluid übertragen.
Vorzugsweise ist ein Mittel, beispielsweise ein erstes Umschaltventil vorgesehen, das geeignet ist, den Vorlauf des Solarmoduls wahlweise mit dem der Wärmepumpe zugehörigen ersten Wärmetauscher oder dem mindestens einen dritten Wärmetauscher operativ zu verbinden. Dabei weist der Begriff einer „operativen Verbindung” darauf hin, dass das Solarmodulfluid entweder in die Wärmepumpe oder in den dritten Wärmetauscher fließt, setzt jedoch nicht voraus, dass die jeweils andere Fluidverbindung als solche physisch getrennt wird. Beispielsweise kann der Zufluss zu dem dritten Wärmetauscher auch dadurch unterbunden werden, dass ein Ventil hinter dem dritten Wärmetauscher geschlossen wird, sodass aus diesem Grund kein Solarmodulfluid durch den dritten Wärmetauscher fließen kann, auch wenn eine Fluidverbindung zwischen dem Solarmodul und dem dritten Wärmetauscher besteht. In diesem breiten Sinne ist in der vorliegenden Offenbarung der Begriff der „operativen Verbindung” zu verstehen.
Durch dieses Mittel, insbesondere das erste Umschaltventil, kann wahlweise, beispielsweise je nach Temperatur des Solarmodulfluids im Vorlauf des Solarmoduls entschieden werden, ob das Solarmodulfluid direkt zum Erwärmen des Wärmespeicherfluids verwendet wird oder im Umweg über die Wärmepumpe.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ferner ein Brauchwasser-Wärmetauscher vorgesehen, der geeignet ist, Wärme von dem Wärmespeicherfluid auf Brauchwasser zu übertragen. Der Wärmespeicher stellt hierbei eine Art „Energiepuffer” dar. Dies ist von Vorteil, weil die Solarthermie-Wärme, d. h. die Wärme des Solarmodulfluids mit sich ändernder Sonneneinstrahlung schwankt und daher unregelmäßig in die Anlage eingeführt wird. Gleiches gilt für die Energieabfuhr über das Brauchwasser, das typischerweise zu bestimmten Spitzenzeiten (z. B. in den Morgenstunden) benötigt wird, zu anderen Zeiten jedoch nicht oder in geringerem Umfang. Durch die Wirkung des Wärmespeichers als Energiepuffer kann zwischen der diskontinuierlichen Energiezufuhr und -abfuhr vermittelt werden.
Vorzugsweise hat der Wärmespeicher ein Aufnahmevolumen für das Wärmespeicherfluid von mindestens 3 m³, vorzugsweise mindestens 4,5 m³. Mit solchen Volumina lässt sich bereits ein sehr wirkungsvoller Energiepuffer erzeugen. Vorzugsweise hat der Wärmespeicher pro Kilowatt nomineller Heizleistung der Anlage ein Aufnahmevolumen von mindestens 75 l, vorzugsweise von mindestens 90 l.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Wärmespeicher mit einer Heizung verbindbar oder verbunden, die mit dem Wärmespeicherfluid betreibbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen dem Vorlauf des mindestens einen Solarmoduls und der Wärmepumpe ein vierter Wärmetauscher vorgesehen, der die Übertragung von Wärme zwischen einer weiteren Wärmequelle und dem Solarmodulfluid gestattet. Diese weitere Wärmequelle kann beispielsweise durch das Erdreich, Grundwasser oder Oberflächenwasser gebildet bzw. gespeist werden. Über den vierten Wärmetauscher kann somit Wärme aus der weiteren Wärmequelle auf das Solarmodulfluid übertragen werden und dann gemeinsam mit dem Solarmodulfluid in die Wärmepumpe eingespeist werden. Dies ist insbesondere im Winter bzw. an sonnenlosen Tagen in der Übergangszeit vorteilhaft, wenn die Temperatur der weiteren Wärmequelle, beispielsweise die Grundwassertemperatur, höher ist als die Temperatur des Solarmodulfluids im Vorlauf des Solarmoduls.
Vorzugsweise ist eine Bypassleitung vorgesehen, die es gestattet, den Rücklauf des Solarmoduls mit dessen Vorlauf kurzzuschließen, sodass ein Teil des Solarmodulfluids zirkulieren kann, ohne durch den oder die Wärmetauscher des mindestens einen Solarmoduls zu fließen. Dabei kann die Bypassleitung vorzugsweise durch Betätigung eines zweiten Umschaltventils geöffnet und geschlossen werden. Dadurch wird gestattet, dass ein Teil des Solarmodulfluids durch die Wärmepumpe und den genannten vierten Wärmetauscher zirkuliert, ohne dabei jedoch durch die Solarmodule zu fließen. Dieser Modus ist insbesondere im Winter vorteilhaft, wenn das Solarmodulfluid im Vorlauf des Solarmoduls kälter wäre, als die weitere Wärmequelle. In diesem Modus werden die Solarmodule thermisch abgekoppelt, und Wärme wird von der weiteren Wärmequelle über den vierten Wärmetauscher und den zirkulierenden, von den Solarmodulen getrennten Teil des Solarmodulfluids in die Wärmepumpe eingebracht.
Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass ein und dieselbe Wärmepumpe benutzt werden kann, um sowohl Wärme aus dem Solarmodul als auch Wärme aus der weiteren Wärmequelle in den Wärmespeicher zu pumpen. Dabei fließt stets ausschließlich das Solarmodulfluid durch die Wärmepumpe, selbst wenn die Wärme effektiv aus der weiteren Wärmequelle und nicht aus den Solarmodulen kommt. Dies ist von Vorteil, weil das Medium der weiteren Wärmequelle, beispielsweise das Grundwasser und das Solarmodulfluid in der Regel unterschiedlich sind und nicht gemischt werden dürfen. Beispielsweise enthält das Solarmodulfluid typischerweise Wasser und Glykol, um den Gefrierpunkt herabzusetzen, und diese Mischung soll nicht mit dem Grundwasser gemischt werden.
Ferner erlaubt dieser Aufbau ein rasches Umschalten zwischen dem Einsatz der Wärme aus der weiteren Wärmequelle und der Wärme aus den Solarmodulen. Beispielsweise kann im Laufe eines sonnigen Wintertages einfach zwischen den beiden Betriebsmodi umgeschaltet werden, je nachdem, welche Temperatur das Solarmodulfluid in den Solarmodulen durch die Sonnenstrahlung annimmt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die weitere Wärmequelle durch einen Förderbrunnen gebildet, aus dem Wasser gefördert und durch den vierten Wärmetauscher geleitet werden kann. Vorzugsweise ist ferner ein Mittel, insbesondere ein drittes Umschaltventil vorgesehen, mit dem das Wasser aus dem Förderbrunnen nach Durchlaufen des vierten Wärmetauschers wahlweise in den Förderbrunnen zurück oder an einen anderen Ort, insbesondere in einen Schluckbrunnen geleitet werden kann. Die Rückführung des Wassers aus dem vierten Wärmetauscher in den Förderbrunnen bietet sich an, wenn der Wärmebedarf des Wärmespeichers gedeckt ist, beispielsweise während einer längeren sonnenreichen Periode. In diesem Fall kann das Wasser aus dem Förderbrunnen im vierten Wärmetauscher durch das warme Solarmodulfluid erwärmt und in den Förderbrunnen zurückgeleitet werden, sodass die Temperatur im Förderbrunnen nach und nach ansteigt. Versuche des Erfinders haben ergeben, dass sich die Temperatur im Förderbrunnen auf diese Weise im Laufe eines Sommers um mehrere °C erhöhen kann, sodass die Effizienz des Förderbrunnens als Wärmequelle dann im Winter, wenn sie zum Einsatz kommt, erhöht ist. Gleichzeitig wird das Solarmodulfluid durch den vierten Wärmetauscher effektiv abgekühlt, wodurch auch die Solarzellen der Solarmodule gekühlt und in ihrer Effizienz gesteigert werden.
Obwohl auch diese Weiterbildung nach derzeitigem Kenntnisstand des Erfinders am besten in Zusammenhang mit der eingangs beschriebenen Wärmepumpe funktioniert, schließt dieser Aspekt der Erfindung es nicht aus, auch eine andere Wärmepumpe herkömmlicher Art zu verwenden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Anlage eine Steuerung, die für den Fall, dass

– der Wärmespeicher Bedarf für eine Wärmeaufnahme hat, und
– die Temperatur des Solarmodulfluids im Vorlauf des mindestens einen Solarmoduls die Temperatur in dem Bereich des Wärmspeichers, in dem der mindestens eine dritte Wärmetauscher angeordnet ist, um einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt,

Auf diese Weise stellt die Steuerung sicher, dass für den Fall, dass eine effiziente Erwärmung des Wärmespeicherfluids auch ohne Zwischenschaltung der Wärmepumpe möglich ist, eine direkte Übertragung der Wärme von dem Solarmodulfluid über den mindestens einen dritten Wärmetauscher auf das Wärmespeicherfluid vorgenommen wird, ohne die Wärmepumpe zu betreiben. Auf diese Weise kann die Energie für den Betrieb des Verdichters der Wärmepumpe gespart werden.
Ein geeignetes Kriterium zu entscheiden, ob die Wärme des Solarmodulfluids direkt über den dritten Wärmetauscher oder über die Wärmepumpe auf das Wärmespeicherfluid übertragen wird, ist ein Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des Solarmodulfluids im Vorlauf des Solarmoduls und des Wärmespeichers in dem Bereich, in dem der dritte Wärmetauscher tatsächlich angeordnet ist. Der entsprechende Schwellenwert kann eingestellt werden, um die Energieeffizienz zu maximieren, beträgt aber in der bevorzugten Ausführungsform mindestens 8°C, besonders vorzugsweise mindestens 10°C.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Anlage eine Steuerung, die für den Fall, dass

– der Wärmespeicher Bedarf für eine Wärmeaufnahme hat, und
– die Temperatur des Solarmodulfluids im Vorlauf des mindestens einen Solarmoduls einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet,

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Anlage eine Steuerung, die für den Fall, dass der Wärmespeicher keinen Bedarf für eine Wärmeaufnahme hat, veranlasst, insbesondere durch Betätigen des ersten Umschaltventils, dass der Vorlauf des mindestens einen Solarmoduls mit dem der Wärmepumpe zugehörigen ersten Wärmetauscher verbunden wird, der Verdichter der Wärmepumpe nicht in Betrieb genommen wird, und Wasser aus dem Förderbrunnen durch den vierten Wärmetauscher und zurück in den Förderbrunnen geleitet wird.
In diesem Fall sorgt die Steuerung dafür, dass das Wasser des Förderbrunnens durch das Solarmodulfluid erwärmt wird und gleichzeitig das Solarmodulfluid durch das Wasser des Förderbrunnens gekühlt wird, um die Effizienz der Solarzellen zu steigern. Dieser Modus wird vor allem in länger anhaltenden sonnigen und warnen Perioden zur Anwendung kommen, und gestattet effektiv eine Speicherung von im Übermaß zur Verfügung stehender thermischer Energie in dem Förderbrunnen, die teilweise zu kalten Jahreszeiten über die Wärmepumpe zurückgewonnen werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Anlage eine Steuerung, die für den Fall, dass die Temperatur des Solarmodulfluids im Vorlauf des mindestens einen Solarmoduls geringer ist als die Temperatur des Wassers im Förderbrunnen, veranlasst, dass die Bypassleitung zwischen dem Rücklauf des Solarmoduls und dessen Vorlauf geöffnet wird, um eine Zirkulation eines Teils des Solarmodulfluids ohne Durchlaufen des oder der Wärmetauscher des mindestens einen Solarmoduls zu gestatten, und die veranlasst, dass Wasser aus dem Förderbrunnen durch den vierten Wärmetauscher geleitet wird.
In diesem Modus tauscht die Steuerung effektiv die Solarmodule als Wärmequelle gegen den Förderbrunnen als Wärmequelle aus, wobei jedoch weiterhin das Solarmodulfluid durch die Wärmepumpe geleitet wird. Auf diese Weise kann einfach und flexibel in Abhängigkeit von den aktuellen klimatischen Bedingungen zwischen den Wärmequellen gewechselt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuerung ferner dazu eingerichtet, Schnee auf dem mindestens einen Solarmodul ab- oder zumindest anzuschmelzen. Dazu veranlasst die Steuerung in einer Ausführungsform, dass das Solarmodulfluid, welches kälter ist als die Temperatur im Wärmespeicher, durch den dritten Wärmetauscher geleitet wird. Auf diese Weise wird das Solarmodulfluid durch den Wärmespeicher aufgewärmt. Dabei wird zwar dem Wärmespeicher Wärme entzogen, dies ist jedoch energetisch sinnvoll, wenn dadurch die Solarzellen von Schnee befreit werden und zur Stromerzeugung zum Einsatz kommen können. Tatsächlich muss in der Praxis der Schnee typischerweise auch nicht abgeschmolzen, sondern nur soweit angetaut werden, dass sich ein Wasserfilm zwischen dem Solarmodul und der Schneedecke bildet, auf der der Schnee dann vom Solarmodul herabgleiten kann.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Solarmodulfluid, welches kälter ist als das Wasser im Förderbrunnen, gleichzeitig mit dem Wasser aus dem Förderbrunnen durch den vierten Wärmetauscher geleitet. In dieser Ausführungsform wird daher der Schnee effektiv durch Wärme aus dem Förderbrunnen ab- bzw. angetaut. Dies ist die energieeffizientere Weise, die vorzuziehen ist, wenn ein Förderbrunnen vorhanden ist.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung der kombinierten Photovoltaik- und Solarthermieanlage der Erfindung,
2 eine Schnittansicht eines Solarmoduls zur Verwendung in der Anlage nach 1 und
3 eine schematische Draufsicht auf eine Wärmepumpe zur Verwendung in der Anlage nach 1.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt eine schematische Ansicht einer kombinierten Photovoltaik- und Solarthermieanlage nach einer Weiterbildung der Erfindung. Die Anlage 10 umfasst 72 kombinierte Photovoltaik- und Solarthermiemodule, die im Folgenden kurz als „Solarmodul” 12 bezeichnet werden. Derartige Solarmodule 12 sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt und werden unter dem Produktnamen „PV-Therm” von der Patentamnelderin vertrieben. 2 zeigt eine schematische Schnittzeichnung eines Solarmoduls 12. Wie darin zu erkennen ist, ist das Solarmodul 12 auf seiner Oberseite aufgebaut wie ein herkömmliches Photovoltaikmodul. Die untereinander durch Lötbändchen (nicht gezeigt) verschalteten polykristallinen Solarzellen 14 sind jeweils unten und oben in eine transparente Kunststoffschicht aus Ethylenvinylacetat (EVA) 16 eingebettet. Diese Schicht sorgt für eine feste Verbindung der Zellen 14 zwischen einer Glasscheibe 18 und einer Tedlarfolie 20.
Auf der Unterseite des Solarmoduls 12 befindet sich eine verzinkte und lackierte Stahlwanne 22, in der eine Vielzahl von Kanälen 24 ausgebildet sind, die von einem Solarmodulfluid 26 durchflossen werden. Die Stahlwanne 22 dient daher als Wärmetauscher, der geeignet ist, Wärme von den Solarzellen 14 auf das Solarmodulfluid 26 zu übertragen.
Unter Bezugnahme wiederum auf 1 ist zu erkennen, dass das Solarmodulfluid 26 über einen Vorlauf A der Solarmodule 12 aus den Solarmodulen 12 zu einem ersten Umschaltventil 28 geleitet wird. An diesem ersten Umschaltventil 28 teilt sich der Vorlauf A der Solarmodule 12 in einen Zweig B und einen Zweig E. Im Zweig B wird das Solarmodulfluid durch einen dritten Wärmetauscher 30 geleitet, der in einem Wärmespeicher 32 angeordnet ist. Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, können auch mehrere parallel angeordnete dritte Wärmetauscher 30 vorgesehen sein, zwischen denen der Fluss des Solarmodulfluids 26 aufgespalten wird. Das Solarmodulfluid 26 wird nach Durchtritt durch den dritten Wärmetauscher 30 entlang eines Pfades C, durch eine Pumpe 32 zu einem zweiten Umschaltventil 34 geleitet. An diesem zweiten Umschaltventil 34 kann das Solarmodulfluid entweder in den Rücklauf D der Solarmodule 12 oder in eine Bypassleitung 36 eintreten, die es gestattet, den Rücklauf der Solarmodule 12 mit deren Vorlauf A kurzzuschließen, sodass ein Teil des Solarmodulfluids 26 zirkulieren kann, ohne durch die Solarmodule 12 zu fließen.
Alternativ kann das Solarmodulfluid am ersten Umschaltventil 28 in den Zweig E geleitet werden, entlang dessen es durch einen vierten Wärmetauscher 38 in einen ersten Wärmetauscher 40 einer Wärmepumpe 42 geleitet wird. Das Solarmodulfluid 26 wird nach Durchtritt durch den ersten Wärmetauscher 40 der Wärmepumpe 42 entlang eines Pfades F geführt, der mit dem Pfad C zusammentrifft und über die Pumpe 32, das zweite Umschaltventil 34 zu dem Rücklauf D der Solarmodule 12 führt. Alternativ könnte das Umschaltventil mit gleicher Wirkung auch an dem Treffpunkt der Pfade C und F angeordnet sein.
Die in 1 nur schematisch dargestellte Wärmepumpe 42 enthält neben dem ersten Wärmetauscher 40 einen zweiten Wärmetauscher 44 und einen Arbeitsmittel-Kreislauf 46, der zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher 40, 44 vermittelt. Mithilfe einer Pumpe 48 wird ein Wärmespeicherfluid aus dem Wärmespeicher 32 durch den zweiten Wärmetauscher 44 gepumpt, darin erwärmt und in den Wärmespeicher 32 zurückgeführt.
In dem Wärmespeicher 32 ist ein Brauchwasser-Wärmetauscher 50 angeordnet. Kaltwasser kann mithilfe einer Pumpe 52 durch den Brauchwasser-Wärmetauscher 50 gepumpt, dabei erwärmt und einem Brauchwasserkreis 54 zugeführt werden. Dabei versteht es sich, dass der Brauchwasserkreis in der Regel kein Kreislauf im eigentlichen Sinne sein wird, da das verbrauchte Wasser nicht zurückgeführt, sondern durch frisches Kaltwasser ergänzt wird.
In dem Wärmespeicher 32 besteht von oben nach unten ein Temperaturgefälle. Grob gesprochen kann man den Wärmespeicher 32 in einen oberen Abschnitt 32a mit einer höheren mittleren Temperatur und einen unteren Abschnitt 32b mit einer niedrigeren mittleren Temperatur unterteilen. Der Temperaturunterschied zwischen der mittleren Temperatur im oberen Abschnitt 32a und im unteren Abschnitt 32b beträgt im Betrieb typischerweise mindestens 15°C, vorzugsweise mindestens 30°C. Der dritte Wärmetauscher 30 ist in dem unteren, d. h. kälteren Abschnitt 32b des Wärmespeichers 32 angeordnet, wodurch die Wärmeübertragung zwischen dem Solarmodulfluid 26 und dem Wärmespeicherfluid im Wärmespeicher 32 effizienter ist.
Ferner wird durch den Wärmespeicher 32 ein Heizkreis 56, beispielsweise für eine Fußbodenheizung (nicht gezeigt) gespeist. Der Fluss des Wärmespeicherfluids durch den Heizkreis 56 wird durch eine Pumpe 58 angetrieben.
Ferner ist als weitere Wärmequelle ein Grundwasser-Förderbrunnen 60 vorgesehen, aus dem mithilfe einer Förderpumpe 62 Grundwasser entlang eines Pfades G durch den vierten Wärmetauscher 38 gepumpt werden kann. Stromabwärts des vierten Wärmetauschers 38 wird das Grundwasser entlang eines Pfades H zu einem dritten Umschaltventil 64 geführt. Durch Betatigung des dritten Umschaltventils 64 kann das Grundwasser entweder zurück in den Förderbrunnen 60 oder in einen Schluckbrunnen 66 geleitet werden.
Schließlich ist eine Wechselrichtereinrichtung 68 vorgesehen, über die der Solarstrom aus den Solarmodulen 12 in das Netz eingespeist werden kann. Ferner versorgt die Wechselrichtereinrichtung 68 die Wärmepumpe 42 über eine elektrische Leitung 70 mit Strom. Schließlich kann mit dem Solarstrom auch ein Akkumulator geladen werden.
In der Anlage von 1 werden im Normalbetrieb etwa 50 l Solarmodulfluid pro Stunde und pro Modul 12 gepumpt. Dies bedeutet, dass bei 72 Modulen 12 pro Stunde etwa 3600 l Wasser anfallen, die durch den dritten Wärmetauscher 30 im Wärmespeicher 32 bzw. durch den ersten Wärmetauscher 40 der Wärmepumpe 42 gepumpt werden müssen. Derartig hohe Durchflüsse sind mit herkömmlichen Wärmepumpen nicht handhabbar. Die Erfindung sieht daher eine spezielle Wärmepumpe 42 vor, die in 3 näher gezeigt ist. Wie darin zu sehen ist, besteht der erste Wärmetauscher 40 aus einer Doppelrohrstruktur mit einem Außenrohr 72 und einem Innenrohr 74. Durch das Außenrohr 72 fließt das Solarmodulfluid 26, nämlich von dem Leitungsabschnitt E in die Wärmepumpe 42 hinein und aus der Wärmepumpe 42 hinaus in den Abschnitt F (s. 1). In dem Innenrohr 74 fließt das Arbeitsmedium der Wärmepumpe, und zwar in entgegengesetzter Richtung wie das Solarmodulfluid.
In der bevorzugten Ausführungsform besteht das Außenrohr 72 aus einem ölbeständigen, hochzugfesten synthetischen Gummi und ist das Innenrohr 74 ein Wellrohr aus Kupfer oder Edelstahl.
Der zweite Wärmetauscher 44 ist grundsätzlich ähnlich aufgebaut. Das Wärmespeicherfluid fließt aus dem Wärmespeicher 32 (vgl. 1) durch das Außenrohr 72 des zweiten Wärmetauschers 44 und wieder zurück in den Wärmespeicher 32, während das Arbeitsmedium in dem Innenrohr 74 in entgegengesetzter Richtung fließt. Die Innenrohre 74 in dem ersten und zweiten Wärmetauscher 40, 44 bilden zusammen mit einem Expansionsventil 76 und einem Scroll-Verdichter 78 den Arbeitsmittelkreislauf 46 der Wärmepumpe 42. Wie in 3 zu sehen ist, sind beide Wärmetauscher 40, 44 platzsparend in Schlaufen um den Scroll-Verdichter 78 gelegt. Die ganze Anordnung lässt sich in einem Gehäuse 80 von moderater Größe anordnen, selbst bei einer Länge des ersten Wärmetauschers 40 von beispielsweise 25 m.
Zwischen den Positionen ➀ und ➁ fließt das warme Solarmodulfluid im Gegenstrom zu dem Arbeitsmedium und gibt dabei Wärme an das Arbeitsmedium ab. Zwischen den Positionen ➂ und ➃ wird das Arbeitsmedium durch den Scroll-Verdichter 78 komprimiert, wodurch sich die Temperatur erhöht. Dieses nun vergleichsweise heiße Arbeitsmedium wird an Position ➄ in den zweiten Wärmetauscher 44 eingeführt und fließt im Gegenstrom zu dem Wärmespeicherfluid des Wärmespeichers 32, um dieses zu erwärmen.
Vom Ende ➅ des zweiten Wärmetauschers 44 tritt das Innenrohr 74 aus dem Außenrohr 72 aus, und das Arbeitsmittel wird zu dem Expansionsventil 76 geführt und darin, zwischen den Positionen ➆ und ➇ expandiert und dadurch weiter abgekühlt, womit der Kreislauf zu seinem Anfangspunkt ➀ zurückkehrt.
Der Aufbau der Wärmepumpe 42 von 3 hat den besonderen Vorteil, dass sie mit sehr hohen Flussraten des Solarfluidmediums zurechtkommt, ohne dass ein übermäßig großer Flusswiderstand erzeugt würde. Dies gelingt zudem mit einem erstaunlich geringen konstruktiven Aufwand. Um eine Flussrate von beispielsweise 3.600 l pro Stunde zu verkraften, müsste man eine Vielzahl von üblicherweise in Wärmepumpen verwendeten Wärmetauschern parallel anordnen, was sowohl hinsichtlich der Herstellungskosten als auch des Platzbedarfs unvorteilhaft und zudem hydraulisch schwierig zu bewerkstelligen wäre.
Der Durchmesser und die Länge des ersten und zweiten Wärmetauschers 40, 44 hängt von dem zu erwartenden Aufkommen an Solarmodulfluid ab. Geeignete Längen für den ersten Wärmetauscher 40 liegen zwischen 2 und 30 m. Der Innendurchmesser des Außenrohres 72 beträgt vorzugsweise 15 bis 120 mm, besonders vorzugsweise 50 bis 100 mm. Der Innendurchmesser des Innenrohres 74 ist an den Innendurchmesser des Außenrohres 72 angepasst und beträgt typischerweise zwischen 10 und 50 mm, vorzugsweise 20 bis 40 mm.
Die Anlage 10 umfasst ferner eine Steuerung (nicht gezeigt), die mehrere oder alle der genannten Pumpen und Ventile steuert, um den Betrieb der Anlage als Ganzes zu steuern. Diese Steuerung ist weiter mit einer Mehrzahl von Temperaturfühlern (nicht gezeigt) verbunden, und geeignet, anhand von Temperaturmesswerten den optimalen Betriebsmodus einzustellen.
Im Folgenden wird der Betrieb der Anlage 10 beschrieben.
Szenario I
In Szenario I wird der Fall betrachtet, dass die Temperatur des Solarmodulfluids 26 im Vorlauf A der Solarmodule 12, im Folgenden als T_PVT bezeichnet, 30°C oder wärmer ist, und dass T_PVT die Temperatur im unteren Abschnitt 32b des Wärmespeichers um mindestens 10% übersteigt. Ferner sei angenommen, dass die Steuerung feststellt, dass der Wärmespeicher 32 noch Bedarf für eine Wärmeaufnahme hat. In diesem Fall kann das Solarmodulfluid direkt zum Erwärmen des Wärmespeicherfluids durch den dritten Wärmetauscher 30 verwendet werden. Dementsprechend wird das erste Umschaltventil 28 so geschaltet, dass das Solarmodulfluid entlang des Weges A → B → C → D geleitet wird. Die Wärmepumpe 42 wird in diesem Fall nicht benötigt.
Szenario II
Falls festgestellt wird, dass der Wärmespeicher 32 keinen Wärmebedarf mehr hat, kann die Wärme aus dem Solarmodulfluid verwendet werden, um das Grundwasser im Förderbrunnen 60 zu erwärmen. Dazu wird das erste Umschaltventil 28 so geschaltet, dass das Solarmodulfluid 26 durch den vierten Wärmetauscher 38 und die Wärmepumpe 42 geleitet wird, die jedoch nicht in Betrieb ist, d. h. das Solarmodulfluid 26 wird entlang der Pfade A → E → F → D geleitet. Hierbei wird das Solarmodulfluid 26 zwar durch den ersten Wärmetauscher 40 der Wärmepumpe 42 geleitet, in der es jedoch nicht zu einem Wärmeaustausch kommt, weil die Wärmepumpe 42 nicht in Betrieb ist. Hierbei erweist es sich als sehr vorteilhaft, dass der erste Wärmetauscher 40 der Wärmepumpe 42 aufgrund seiner Doppelrohrstruktur einen verhältnismäßig geringen Flusswiderstand hat.
Gleichzeitig wird Grundwasser aus dem Förderbrunnen 60 mithilfe der Pumpe 62 entlang des Pfades G durch den vierten Wärmetauscher 38, entlang des Pfades H und über das dritte Umschaltventil 64 zurück in den Förderbrunnen 60 geleitet. Dabei wird im vierten Wärmetauscher 38 Wärme von dem Solarmodulfluid 26 auf das Grundwasser übertragen, d. h. das Solarmodulfluid 26 wird gekühlt und das Grundwasser wird erwärmt. Dies sind beides erwünschte Effekte, da über das Solarmodulfluid 26 die Solarzellen 14 der Solarmodule 12 (s. 2) gekühlt werden, um deren Effizienz zu erhöhen, und weil durch die Erwärmung des Wassers im Förderbrunnen 60 Wärme bereitgestellt wird, die in kälteren Jahreszeiten wiederum zu Heizungszwecken verwendet werden kann, s. Szenario IV unten.
Szenario III
Das Szenario III betrifft den Fall, dass der Wärmespeicher 32 zwar Wärme anfordert, T_PVT jedoch zu gering ist, um das Wärmespeicherfluid direkt über den dritten Wärmetauscher 30 auf effiziente Weise zu erwärmen. Dieser Fall trifft beispielsweise im Sommer bei schlechtem Wetter auf. Um dennoch Wärme von dem Solarmodulfluid 26 auf das Wärmespeicherfluid zu übertragen, wird die Wärmepumpe 42 eingesetzt. Dabei wird das erste Umschaltventil 28 so geschaltet, dass das Solarmodulfluid 26 entlang der Pfade A und E in den ersten Wärmetauscher 40 der Wärmepumpe 42 geleitet wird und über die Pfade F und D zurück zu den Solarmodulen 12 gepumpt wird. Die Wärmepumpe 42 wird in Betrieb genommen und pumpt Wärme von dem Solarmodulfluid 26 über den Arbeitsmittelkreislauf 46 und den zweiten Wärmetauscher 44 in das Wärmespeicherfluid. Das Szenario III kommt grundsätzlich so lange zum Einsatz, wie der Wärmespeicher 32 Wärmebedarf hat und T_PVT über der Temperatur des Wassers im Förderbrunnen 60 liegt.
Szenario IV
Falls T_PVT jedoch geringer ist als die Temperatur des Förderbrunnens 60 wird die Bypassleitung 36 durch Betätigung des zweiten Umschaltventils 34 geöffnet. Ein Teil des Solarmodulfluids 26 zirkuliert dann zwischen dem Abschnitt E, durch den Wärmetauscher 38, den ersten Wärmetauscher 40 der Wärmepumpe 42, entlang des Abschnitts F und zurück durch die Bypassleitung 36. Dieser Teil des Solarmodulfluids 26 fließt also nicht mehr durch die Solarmodule 12.
Gleichzeitig wird Wasser aus dem Förderbrunnen 60 mithilfe der Pumpe 62 entlang des Pfades G, durch den vierten Wärmetauscher 38, weiter entlang Pfad H, über das dritte Umschaltventil 64 und in den Schluckbrunnen 66 geleitet. Dadurch kommt es zu einem Wärmetausch zwischen dem zirkulierenden Teil des Solarmodulfluids 26 (d. h. dem Solarmodulfluid 26 in den Abschnitten E und F) und dem Grundwasser. Diese Wärme wird durch die Wärmepumpe 42 auf das Wärmespeicherfluid übertragen.
Diese Wärmeübertragung ist umso effizienter, je höher die Temperatur im Förderbrunnen 60 ist. Insofern erweist es sich als Vorteil, wenn während der heißen Jahreszeit entsprechend Szenario II die Temperatur im Förderbrunnen 60 erhöht wird, weil diese Energie im hier beschriebenen Szenario IV, welches vorwiegend im Winter Anwendung findet, teilweise wiedergewonnen werden kann.
Szenario V
Das Szenario V betrifft das Abtauen von Schnee auf den Solarmodulen 12. Schnee auf Solarmodulen ist ein großes Problem, da Photovoltaikanlagen im Winter aufgrund der niedrigen Außentemperatur einen Vergleichsweise hohen Wirkungsgrad haben und daher grundsätzlich in der Lage sind, hohe Stromerträge zu erzielen. Durch den Schnee wird jedoch verhindert, dass das Sonnenlicht bis zu den Modulen 12 durchdringt. Um auch in schneereichen Wintern die Sonnenstunden zu nutzen, müssten daher die Solarmodule 12 von Hand vom Schnee geräumt werden, was mühsam und wegen der Absturzgefahr auch gefährlich ist.
Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, wenn die schneebedeckten Solarmodule 12 vorübergehend durch das Solarmodulfluid 26 geheizt werden, um den Schnee zumindest soweit anzutauen, dass sich zwischen dem Schnee und dem Solarmodul 12 ein Wasserfilm bildet, auf dem der Schnee dann durch sein Eigengewicht herabgleitet.
Zum Erwärmen der Solarmodule 12 stehen grundsätzlich zwei Varianten zur Verfügung. Die vorteilhaftere Variante besteht darin, hierfür die Wärme aus dem Förderbrunnen 60 zu nutzen. In diesem Fall würde das Solarmodulfluid über den Kreislauf A → E → F → D laufen, und das Wasser aus dem Förderbrunnen 60 entlang des Weges G in den vierten Wärmetauscher 38 und entlang des Weges H und über das dritte Umschaltventil 64 in den Schluckbrunnen 66 laufen. In diesem Fall würde der Schnee auf dem Solarmodulen 12 effektiv mit Wärme aus dem Förderbrunnen 60 abgeschmolzen.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Solarmodule 12 mit Wärme aus dem Wärmespeicher 32 zu erwärmen, indem das Solarmodulfluid entlang des Weges C → D → A → B gepumpt wird. Diese Variante kann auch dann Anwendung finden, wenn kein Förderbrunnen 60 vorhanden ist.
Die gezeigten und beschriebenen Merkmale können in beliebigen Kombinationen von Bedeutung sein.
Die gezeigte Anlage 10 lässt sich in ihrer Größe gut skalieren. Der Erfinder hat festgestellt, dass pro Kilowatt erstrebter Heizleistung optimalerweise etwa 2,4 m² solarthermisch aktiver Solarmodulfläche vorhanden sein sollten. Dies entspricht etwa zwei Solarmodulen vom Typ PV-Therm pro Kilowatt Heizleistung. Vorzugsweise sind pro Kilowatt Heizleistung jedoch mindestens 0,75 m², besonders vorzugsweise 1 m² aktive Solarmodulfläche vorgesehen.
Ferner sollte die Anlage geeignet sein, pro Quadratmeter Solarmodulfläche mindestens 25 l pro Stunde, vorzugsweise mindestens 32 l pro Stunde und besonders vorzugsweise mindestens 38 l pro Stunde Solarmodulfluid durch die Wärmepumpe 42 zu leiten. Dies ist bei Anlagen mit großen Solarmodulflächen von 50 m², 100 m² oder mehr mit herkömmlichen Wärmepumpen praktisch nicht zu erreichen. Mit dem in 3 gezeigten Aufbau der Wärmepumpe 42 hingegen lasst sich dies hingegen einfach, platzsparend und kostengünstig realisieren.
Bezugszeichenliste

10: kombinierte Photovoltaik- und Solarthermieanlage
12: Solarmodul
14: Solarzellen
16: Kunststoffschicht aus Ethylenvinylacetat
18: Glasscheibe
20: Tedlarfolie
22: Stahlwanne
24: Kanäle
26: Solarmodulfluid
28: erstes Umschaltventil
30: dritter Wärmetauscher
32: Wärmespeicher
32a: oberer Abschnitt des Wärmespeichers 32
32b: unterer Abschnitt des Wärmespeichers 32
34: zweites Umschaltventil
36: Bypassleitung
38: vierter Wärmetauscher
40: erster Wärmetauscher
42: Wärmepumpe
44: zweiter Wärmetauscher
46: Arbeitsmittel-Kreislauf
50: Brauchwasser-Wärmetauscher
52: Pumpe
54: Brauchwasserkreis
56: Heizkreislauf
58: Pumpe
60: Förderbrunnen
64: drittes Umschaltventil
66: Schluckbrunnen
68: Wechselrichtereinrichtung
70: elektrische Leitung
72: Außenrohr
74: Innenrohr
76: Expansionsventil
78: Scroll-Verdichter
80: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/144113 A1 [0002]

Claims

Kombinierte Photovoltaik-, und Solarthermieanlage (10), die Folgendes umfasst: – mindestens ein Solarmodul (12), das photovoltaische Solarzellen (14) und einen Solarmodul-Wärmetauscher (22) umfasst, wobei der Solarmodul-Wärmetauscher (22) eine Fluidleitung (24) zum Durchleiten eines Solarmodulfluids (26) umfasst, und der Solarmodul-Wärmetauscher (22) geeignet ist, Wärme von den photovoltaischen Solarzellen (14) auf das Solarmodulfluid (26) zu übertragen, – einen Wärmespeicher (32) zum Speichern eines Wärmespeicherfluids, und – Mittel (30, 42) zum Übertragen von Wärme von dem Solarmodulfluid (26) auf das Wärmespeicherfluid, wobei die Mittel zum Übertragen von Wärme von dem Solarmodulfluid (26) auf das Wärmespeicherfluid eine Wärmepumpe (42) umfassen, mit einem ersten Wärmetauscher (40) zur Aufnahme von Wärme aus dem Solarmodulfluid (26) durch ein Arbeitsmittel und einem zweiten Wärmetauscher (44) zur Abgabe von Wärme von dem Arbeitsmittel auf das Wärmespeicherfluid, wobei der erste und/oder der zweite Wärmetauscher (40, 44) eine Doppelrohrstruktur aufweist, die aus einem Außenrohr oder -schlauch (72) und einem darin angeordneten wärmeleitfähigen Innenrohr oder -schlauch (74) besteht.
Anlage (10) nach Anspruch 1, bei der das Außenrohr/der Außenschlauch (72) und/oder das Innenrohr/der Innenschlauch (74) flexibel sind.
Anlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Doppelrohrstruktur (72, 74) zusammengelegt, insbesondere aufgerollt angeordnet ist.
Anlage (10) nach Anspruch 3, bei der die Doppelrohrstruktur (72, 74) in Schlaufen um einen Verdichter (78) der Wärmepumpe (42), vorzugsweise einen Scrollverdichter gelegt ist.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Außenrohr/der Außenschlauch (72) aus synthetischem Gummi und/oder das Innenrohr (74) aus Kupfer oder Edelstahl besteht und vorzugsweise als Wellrohr ausgebildet ist.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Außenrohr/der Außenschlauch (72) einen Innendurchmesser von 15 bis 120 mm, vorzugsweise 50 bis 100 mm und/oder das Innenrohr/der Innenschlauch (74) einen Innendurchmesser von 10 bis 50 mm, vorzugsweise 20 bis 40 mm hat.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Wärmetauscher eine Länge von 2 bis 30 m, vorzugweise 4 bis 25 m hat.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Mittel zum Übertragen von Wärme von dem Solarmodulfluid (26) auf das Wärmespeicherfluid mindestens einen, vorzugsweise mindestens zwei bezüglich des Flusses des Solarmodulfluids parallel angeordnete dritte Wärmetauscher (30) umfassen.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wärmespeicher (32) einen unteren Abschnitt (32b) und einen oberen Abschnitt (32a) umfasst, wobei im Betrieb die mittlere Temperatur im unteren Abschnitt (32b) des Wärmespeichers geringer ist als im oberen Abschnitt (32a).
Anlage (10) nach Anspruch 9, bei der der Temperaturunterschied zwischen der mittleren Temperatur im unteren Abschnitt (32b) und im oberen Abschnitt (32a) im Betrieb mindestens 15°C, vorzugsweise mindestens 30°C beträgt.
Anlage (10) nach Anspruch 9 oder 10, bei der der mindestens eine dritte Wärmetauscher (30), der zum Übertragen von Wärme von dem Solarmodulfluid (26) auf das Wärmespeichermedium bestimmt ist, in dem genannten unteren Abschnitt (32b) des Wärmespeichers (32) angeordnet ist.
Anlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der ein Mittel, insbesondere ein erstes Umschaltventil (28) vorgesehen ist, das geeignet ist, den Vorlauf A des mindestens einen Solarmoduls (12) wahlweise mit dem der Wärmepumpe (42) zugehörigen ersten Wärmetauscher (40) oder dem mindestens einen dritten Wärmetauscher (30) operativ zu verbinden.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Brauchwasser-Wärmetauscher (50) vorgesehen ist, der geeignet ist, Wärme von dem Wärmespeicherfluid auf Brauchwasser zu übertragen.
Anlage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der der mindestens eine dritte Wärmetauscher (30) und/oder der Brauchwasser-Wärmetauscher (50) in dem Wärmespeicher (32) angeordnet und insbesondere durch ein Wellrohr gebildet ist bzw. sind.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wärmespeicher (32) ein Aufnahmevolumen für das Wärmespeichermedium von mindestens 3 m³, vorzugsweise mindestens 4,5 m³ hat und/oder, bei der der Wärmespeicher (32) pro kW nomineller Heizleistung der Anlage ein Aufnahmevolumen von mindestens 75 l, vorzugsweise 90 l hat.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wärmespeicher (32) mit einer Heizung (56) verbindbar oder verbunden ist, die mit dem Wärmespeicherfluid betreibbar ist.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Vorlauf (A) des mindestens einen Solarmoduls (12) und der Wärmepumpe (42) ein vierter Wärmetauscher (38) vorgesehen ist, der die Übertragung von Wärme zwischen einer weiteren Wärmequelle (60) und dem Solarmodulfluid (26) gestattet.
Anlage (10) nach Anspruch 17, bei der die weitere Wärmequelle durch das Erdreich, Grundwasser oder Oberflächenwasser gebildet bzw. gespeist wird.
Anlage (10) nach Anspruch 17 oder 18, bei der eine Bypassleitung (36) vorgesehen ist, die es gestattet, den Rücklauf (D) des mindestens einen Solarmoduls (12) mit dessen Vorlauf (A) kurzzuschließen, so dass ein Teil des Solarmodulfluids (26) zirkulieren kann, ohne durch den oder die Wärmetauscher (22) des mindestens einen Solarmoduls (12) zu fließen, wobei die Bypassleitung (36) vorzugsweise durch Betätigung eines zweiten Umschaltventils (34) geöffnet und geschlossen werden kann.
Anlage (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der die weitere Wärmequelle durch einen Förderbrunnen (60) gebildet wird, aus dem Wasser gefördert und durch den vierten Wärmetauscher (30) geleitet werden kann.
Anlage (10) nach Anspruch 20, bei der ein Mittel, insbesondere ein drittes Umschaltventil (64) vorgesehen ist, mit dem das Wasser aus dem Förderbrunnen (60) nach Durchlaufen des vierten Wärmetauschers (38) wahlweise in den Förderbrunnen (60) zurück oder an einen anderen Ort, insbesondere in einen Schluckbrunnen (66) geleitet werden kann.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuerung, die für den Fall, dass – der Wärmespeicher (32) Bedarf für eine Wärmeaufnahme hat, und – die Temperatur des Solarmodulfluids (26) im Vorlauf (A) des mindestens einen Solarmoduls (12) die Temperatur in dem Bereich (32b) des Wärmspeichers (32), in dem der mindestens eine dritte Wärmetauscher (30) angeordnet ist, um einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, veranlasst, insbesondere durch Betätigen des ersten Umschaltventils (28), dass der Vorlauf (A) des mindestens einen Solarmoduls (12) mit dem mindestens einen dritten Wärmetauscher (30) operativ verbunden wird, wobei der vorbestimmte Schwellenwert vorzugsweise mindestens 8°C, besonders vorzugsweise mindestens 10°C beträgt.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuerung, die für den Fall, dass – der Wärmespeicher (32) Bedarf für eine Wärmeaufnahme hat, und – die Temperatur des Solarmodulfluids (26) im Vorlauf (A) des mindestens einen Solarmoduls (12) einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, veranlasst, insbesondere durch Betätigen des ersten Umschaltventils (28), dass der Vorlauf (A) des mindestens einen Solarmoduls (12) mit dem der Wärmepumpe (42) zugehörigen ersten Wärmetauscher (40) operativ verbunden wird, wobei der vorbestimmte Schwellenwert vorzugsweise geringer als 40°C, besonders vorzugsweise geringer als 35°C ist.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuerung, die für den Fall, dass – der Wärmespeicher (32) keinen Bedarf für eine Wärmeaufnahme hat, veranlasst, insbesondere durch Betätigen des ersten Umschaltventils (28), dass der Vorlauf (A) des mindestens einen Solarmoduls mit dem der Wärmepumpe (42) zugehörigen ersten Wärmetauscher (40) operativ verbunden wird, der Verdichter (78) der Wärmepumpe (42) nicht in Betrieb genommen wird, und Wasser aus dem Förderbrunnen (60) durch den vierten Wärmetauscher (38) und zurück in den Förderbrunnen (60) geleitet wird.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuerung, die für den Fall, dass – die Temperatur des Solarmodulfluids (26) im Vorlauf (A) des mindestens einen Solarmoduls (12) geringer ist als die Temperatur des Wassers im Förderbrunnen (60), veranlasst, dass die Bypassleitung (36) zwischen dem Rücklauf (D) des mindestens einen Solarmoduls (12) und dessen Vorlauf (A) geöffnet wird, um eine Zirkulation eines Teils des Solarmodulfluids (26) ohne Durchlaufen des oder der Wärmetauscher (22) des mindestens einen Solarmoduls (12) zu gestatten, und die veranlasst, dass Wasser aus dem Förderbrunnen (60) durch den vierten Wärmetauscher (38) geleitet wird.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuerung, die dazu eingerichtet ist, Schnee auf dem mindestens einen Solarmodul (12) abzuschmelzen, indem sie veranlasst, dass – das Solarmodulfluid (26), welches kälter ist als die Temperatur im Wärmespeicher (32), durch den dritten Wärmetauscher (30) geleitet wird, oder – das Solarmodulfluid (26), welches kälter ist als das Wasser im Förderbrunnen (60), gleichzeitig mit dem Wasser aus dem Förderbrunnen (60) durch den vierten Wärmetauscher (38) geleitet wird.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der pro kW nomineller Heizleistung mindestens 0,75, vorzugsweise mindestens 0,9 m² Solarmodulfläche vorgesehen sind, und/oder die dazu eingerichtet ist, pro Stunde und pro Quadratmeter Solarmodulfläche mindestens 25 l, vorzugsweise mindestens 32 l und besonders vorzugsweise mindestens 38 l Solarmodulfluid durch die Wärmepumpe (42) zu leiten.
Wärmepumpe (42) zur Verwendung in einer Anlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei die Wärmepumpe (42) einen ersten Wärmetauscher (40) zur Aufnahme von Wärme aus dem Solarmodulfluid (26) durch ein Arbeitsmittel und einen zweiten Wärmetauscher (44) zur Abgabe von Wärme von dem Arbeitsmittel auf das Wärmespeicherfluid umfasst, wobei der erste und/oder der zweite Wärmetauscher (40, 44) eine Doppelrohrstruktur aufweist, die aus einem Außenrohr oder -schlauch (72) und einem darin angeordneten wärmeleitfähigen Innenrohr oder -schlauch (74) besteht.