DE2917648A1

DE2917648A1 - Einrichtungen zur optimalen nutzung von solarenergie in form von heizwaerme und technischer arbeit

Info

Publication number: DE2917648A1
Application number: DE19792917648
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: GENSWEIN ANNEMARIE
Current assignee: GENSWEIN ANNEMARIE
Priority date: 1979-05-02
Filing date: 1979-05-02
Publication date: 1980-12-18

Description

A. M. Genswein ; ·. ". ^ιΊρί>; -J/-U r e i.-'j 2',>. M^:irz 1979

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Vlinrichturigen zur optimalen Nutzung von Solarenergie in Form von Heizwärme und technischer Arbeit

Die Erfindung betrifft Einrichtungen, deren Komponenten eine optimale Nutzung von Solarenergie gestatten, die sowohl in Form von Heizwärme (z.B. für Wohnraumbeheizung) als auch in Form von technischer Arbeit (z. B. zur Elektrizitätserzeugung) bereitgestellt werden kann.

FUr derartige Einrichtungen ist einerseits zur Gewinnung von Heizwärme ein weitgehend verlust freier und schnell ansprechbarer Hochtemperatur-Heißluft-Sonnenkollektor und ein weitgehend verlustfreier Langzeitwärmespeicher (mindestens ein 1/2-Jahres-Speicher) erforderlich, und andererseits ist zur Gewinnung von technischer Arbeit zusätzlich eine Wärmekraftmaschine notwendig, die das zur Verfügung gestellte Wärmegefälle möglichst vollständig nutzt, d. h. bei der der bisher vorhandene Temperaturabfall über Wärmetauscher nicht auftritt.

Neben dieser direkten Nutzung der Solarenergie in Form von Heizwärme und technischer Arbeit über entsprechende Heißluftkollektoren ist auch noch eine mittelbare Nutzung der Solarenergie im großen Maßstab möglich, z. B. in Form von aufgewärmten großen Luft- und Wassermassen. Bei dieser mittelbaren Nutzung können beispielsweise die zwischen Sommer und Winter (in gemäßigten und kalten Zonen der F,rde) vorhandenen Wärmedifferenzen, die zwischen der Umgebungsluft und dem Wasser entstehen, genutzt werden, indem man große Wasserspeicher künstlich anlegt oder unmittelbar natürliche Wasserreservoirs benutzt, wie z. B. Meere, Seen oder Flüße. Damit läßt sich die latente Wärme des Wassers (Erstarrungs- und Schmelzwärme = 80 Kcal/Kg) als festen unteren* (im Sommer gegen die wärmere Außenluft) oder oberen (im Winter gegen die kältere Außenluft) Temperatur-Bezugspunkt (T = O⁰C = Konstant) für den Betrieb der vorgeschlagenen optimal arbeitenden Wärmekraftmaschine verwenden. Dadurch ist es möglich in Gebieten mit (möglichst) großen Temperaturabweichungen vom natürlichen Gefrierpunkt des Wassers den Wärmeinhalt von großen Wassermassen im Winter (Wärme + Erstarrungswärme) und den Wärmeinhalt von großen Luftmassen im Sommer zu nutzen, wobei im letzteren Falle die Schmelzwärme des Wassers als Wärmesenke dient. Der Wärme- und damit Energielieferant

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ist somit im Winter die (höher temperierte ) Erstarrungswärme dee Wassers und im Sommer die (höher temperierte) Luftwärme. In Gebieten mit langen u. strengen Wintern ist es (wegen der langen Nutzungsdauer und der tiefen Außenlui'ttemperatur) angebracht, nur die Erstarrungswärme des Wassers zu nutzen (reine Winterkraftwerke).

Zur Nutzung dieser beiden Formen (Wasser- und Luftwärme) der Solarenergie sind die in den nördlichen Gebieten der Erde gelegenen Heere, Seen und Flliße zur künftigen Energieversorgung bestens geeignet und stellen somit relevante Energiereservoirs und damit echte Alternativen zur heutigen Energieversorgung dar.

Da der thermische Wirkungsgrad bei der Nutzung kleiner Temperaturdifferrenzen mit Wärmekraftmaschinen jedoch relativ klein ist, kann zwar auch nur ein relativ kleiner Prozentsatz der zur Verfügung stehenden Gesamtwärme in technische Arbeit überführt werden (mit der optimal arbeitenden Wärmekraftmaschine bei T = i 10⁰C bis - 30⁰C gegen den Gefrierpunkt theoretisch etwa η., = 3,5 - 10 %, praktisch etwa n,, = 2 - 6 %). Da jedoch in den gemäßigten und kalten Zonen der Erde alljährlich ein praktisch unerschöpflicher Wärmevorrat mit derartigen Temperaturdifferrenzen von der Natur neu zur Verfügung gestellt wird, ist auch noch ein relativ kleiner Prozentsatz von dieser großen Menge für den Energiebedarf der Menschheit ausreichend. So können beispielsweise im Winter bei einer Außenlufttemperatur von -30⁰C und einer Wassertemperatur von +k C aus der Erstarrungswärme des Wassers aus 1 m Wasser praktisch noch etwa 5 kWh technische bezw. elektr. Arbeit bezogen werden.

Für einen Bruttastromverbrauch von 600 Milliarden KWh (geschätzter elektr. Energiebedarf pro Jahr der BRD, ab dem Jahre 2000) wären somit rund 6 . 10¹¹ KWh/5 KWh . πΓ⁵ = 1,2 . 10¹¹m⁵ = 120Km-⁵ sog. Nutzungswasser erforderlich. Dieser Energiebedarf, ab dem Jahre 2000, ergäbe eine zu installierende Gesamt-Kraftwerksleistung (bei einer Dauerbetriebszeit von 200 Tagen im Jahr) von 6 . 10¹¹ KWh/200.Zk h = 1,25 . 10 KW = 125 000 MW. Somit wären rund 100 solche sog. "Sommer/Winter-Kraftwerke" oder "Naturkraftwerke¹¹ mit je 1250 MW Leistung erforderlich. Diese könnten, z. B. für die BRD, entlang der NordseekUste (u. Haffen), an großen Seen und Flußlaufen verteilt, gebaut werden. In den Zeiten des naturbedingten Stillstandes der Kraftwerke, d. h. in Zeiten geringer Lufttemperaturabweichungen vom Gefrierpunkt des Wassers (Frühjahr und Herbst), könnte der Antrieb der Generatoren von wasserstoffgasbetriebenen Wärmekraftmaschinen übernommen werden. Den dazu notwendigen Wasserstoff könnte in den belast-

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NACHQEREIOHT

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ungsschwachen Betriebszeiten durch Elektrolyse erzeugt werden. Damit wäre gleichzeitig eine kontinuierliche Auslastung der Kraftwerke während den eigentlichen Hauptbetriebszeiten (Sommer und Winter) möglich und damit deren wirtschaftlicher Betrieb sichergestellt.

Derartige Naturkraftwerke könnten die heutigen Energiesorgen der Menschheit auf die Dauer vollständig lösen. Man würde (zu Zwecken der Energieversorgung) völlig frei vom öl, der Kohle und der Kernkraft werden, die Über kurz oder lang sowieso zu Ende gehen, da sie nur im begrenzten Umfange (eigentlich nur als erste Starthilfe) der Menschheit zur Verfugung stehen.

Beschreibung

Abb. 1 zeigt in Ansicht (Längsschnitt) und in den beiden Schnittdarstellungen A-A und B-B den optimal arbeitenden Sonnenkollektor. Es ist ein solarer Lufterhitzer mit 2-Schichtabdeckung, ein sog. "Hintergrundabsorber" in Flachbauweise (Hintergrund-Flachkollektor). Zwei lichtdurchläßige Abdeckungen auf der Frontseite werden mit abgekühlter Luft (von z. B. einem Mehrstufenspeicher) in gegenläufiger Richtung durchströmt. Im Hintergrund befindet sich die schwarze Absorberschicht auf Isoliermaterial dünn aufgetragen. Der Absorber besitzt also eine kleine Masse. Außerdem soll das Absorbermaterial eine kleine spezifische Wärme und eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen. Hierzu eignet sich z. B. Graphitlack. Ein derartiger Absorber weist somit, zusammen mit der als Wärmeträger durchströmenden Luft, eine relativ kleine zu erwärmende Gesamtmasse von geringer spez. Wärme auf. Ein derart aufgebauter Hintergrund-Flachkollektor bietet folgend« Vorteile : Schnelle und hohe Erhitzung der im Hintergrund durchströmenden Luft bei schon kurzzeitigen und schwächeren Einstrahlungen. Er ist somit in der Lage, auch schon während kurzen Aufheiterungen und in klimatisch weniger günstigen Zonen (nördl. Halbkugel) sowie in Zeiten schwächerer Strahlungskonstante (Winter), den Wärmeträger (Luft) schnell auf hohe Temperatur zu bringen und damit einen bereits schon auf relativ hoher Temperatur aufgeladenen Wärmespeicher nachzuladen oder noch vollständig aufzuladen.

Die Nutzungsdauer der Sonneneinstrahlung sowie die Energieausbeute (wegen der Möglichkeit einer hochenergetischen Speicherung in einem entsprechenden Wärmespeicher und wegen der längeren Nutzungszeit der Einstrahlung) ist somit gegenüber bisherigen Ausführungen von Flachkollektoren (mit hoher

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spezifischer Wärme und großer Masse des Wärmeträgers und Absorbers) relativ groß. Weitere Vorteile sind: Er hat keine oder nur geringe Frontverluste, weder durch Rückstrahlung (vom Absorber) noch durch Konvektion (an der äußersten Einstrahlschicht), erlaubt somit eine fast vollständige Nutzung (η ft 100 %) desjenigen Solarenergieanteils, die die oberste Abdeckschicht durchlaufen hat. Die Abdeckungen mit gegenläufigen Luftdurchströmungen wirken wie eine Diode, d. h. sie erlauben nur einen Wärmefluß in einer Richtung: nach innen, zum Absorber und Verbraucher. Kin derartiger sog. Hintergrund-Flachkollektor ermöglicht wegen seines einfachen Aufbaues eine preisgünstige Herstellung bei sonst gleichwertigen Eigenschaften (z. B. gleichgroßen ßehäuseverlusten) an bisherigen Flachkollektoren mit unmittelbar an der Frontseite angeordneten Absorberschicht_o

Abb. 2 mit Schnitt A-B-C und D-D zeigt im Prinzip den gleichen Hintergrund-Flachkollektor wie Abb. 1, jedoch mit 3-Schichtabdeckung. Die Wirkungsweise und Vorteile sind im wesentlichen die gleichen wie bei der Ausführung nach Abb. 1. Er eignet sich jedoch für höhere Temperaturen, d. h. für Gebiete mit höherer Strahlungskonstante. Wegen der 3-schichtigen Luftströmung ist im Hintergrund eine relativ hohe Temperatur zuläßig, ohne daß Wärmeverluste in Frontrichtung (weder durch Rückstrahlung noch durch Konvektion) auftreten können.

In der Schnittdarstellung B-C (Alternativ zu Abb. 2) ist eine Möglichkeit gezeigt, wie man bei sonst gleichen Voraussetzungen (gleiche Strahlungskonstante, gleiche Umweltbedingungen wie z. B. Umgebungslufttemperatur, Windverhältnisse usw.) durch Einbau von Umlenkstegen über dem Absorberkanal einen längeren Luftweg (kleineren Massendurchsatz) und dadurch eine noch höhere Ausgangstemperatur der durchströmenden Luft erreichen kann. Durch Änderung der Absauggeschwindigkeit mittels eines drehzahlgeregelten Luftgebläses läßt sich die Ausgangs-Lufttefflperatur in gleicher Weise steigern (oder verringern) bezw. den Aufnahmebedingungen (höhere Temperatur) gegenüber einem Verbraucher, z. B. an die eines Wärmespeichers, anpassen*

Abb. 3 zeigt die Anwendung des bisher beschriebenen Prinzips eines "Hintergrundabsorbers" in der Ausführung eines konzentrierten Sonnenkollektors. Abp# k zeigt deren Anwendung an einem Turm (Solar Tower). Bei konzentrierte» Sonnenkollektoren wirkt sich das Prinzip der "Hintergrundabsorption" besonders günstig aus, da auch hier die Frontverluste, gegenüber bisherigen Ausführungen, wesentlich herabgesetzt werden. Gemäß der Ausführung

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nach Abb. J> ist zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine als Arbeitsmittel Wasser verwendet. Um den Druck irn Druckgefäß und damit auch auf die lichtdurchläßige Druckplatte und Rohrleitungen au verringern, könnte man als Wärmeträger anstelle von Wasser auch Natrium verwenden, das bei gleichen Temperaturen einen wesentlich niedrigeren Dampfdruck aufweist. In diesem Kalle muß auf der Verbraucherseite ein Wärmetauscher vorgesehen werden der die Wärme vom Natriumkreislauf (Solarwärmekreislauf) auf den Arbeitsmittelkreislauf (mit der niedriger siedenden Flüssigkeit, z. B. Wasser) der Wärmekraftmaschine überträgt. Bei Verwendung von Natrium im Wärmeträger-Zwischenkreis würde dann die in Abb. 3 dargestellte Kondensatpumpe und und der Dampfdom entfallen.

Abb. 5 zeigt den optimal arbeitenden Wärmespeicher mit Zf Temperaturbereichen. (Als Speicherstoffe können normales Wasser, Salzlösungen (z. B. eine Glaubersalzlösung) oder auch chemische Speicherstoffe (Salzmischungen) verwendet werden. Vorteilhaft ist die Verwendung von Latentwärmestoffen mit verschieden abgestuften Kristallisationstemperaturen für die einzelnen Speicher.) In einem Metallbehälter mit Innen- oder Außenisolation (Wärmedämmung) befinden sich mehrere (hier 3) reine Isolierbehälter (Wärme- und Wasserfest, ohne Metallumhüllung) ineinander angeordnet. Jeder der Wärmespeicher (oder Latentwärmespeicher) ist mit je einem Wärmetauscher für den Lade- und Entladekreis versehen. Die einzelnen Wärmetauscherspiralen liegen in jedem Kreis jeweils in Keine und werden vom jeweiligen Wärmeträger durchflossen bezw. durchströmt. Der Hauptwärmespeicher mit dem größten Volumen und der höchsten Temperatur, also derjenige mit dem größten Energieinhalt, befindet sich im (energetischen ) Zentrum der übrigen Wärmespeicher. Die Wärmeverluste des jeweils höher temperierten Speichers gehen unter Zwischenspeicherung auf den jeweils nächst folgenden, tiefer temperierten Speicher, über. Bei der Entladung der einzelnen Speicher über den Entladekreis können somit auch die Verluste der einzelnen Speicher (wenn auch in energetisch niedrigerer Form) genutzt werden, mit Ausnahme der Verlustwärme des Speichers mit niedrigster Temperatur (30°-Speicher in Abb. 5), die an die Umgebung verloren geht. Da jedoch die Temperaturdifferenz dieses (30°-) Speichers gegenüber der Umgebung klein ist, bleiben diese Verluste klein und bewirken eine Langzeitspeicherung. Durch diese Maßnahme ineinandergefügter Wärmespeicher, bei sonst gleicher Isolationsqualität eines einzigen Wärmespeichers bisheriger Ausführungen, wird nicht nur eine Nutzung der Verlustwärme während des Entladevorganges erreicht, sondern auch - infolge der Zwischenspeicherung - bei eines im Ruhezustand

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bezw. Nichtentladung befindlichen Speichers eine erhebliche zeitliche Verzögerung der aus den einzelnen Speichern nach außen abfließenden Wärmemengen bewirkt (Langzeitwärmeepeicher = Speicher mit pro Zeiteinheit minimalen Verlusten).

Um den Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Speichern und nach außenhin klein zu halten, sind die Durchfiihrungsrohre für die Wärmetauscherspiralen an den Isolierbehältern sowie die nach außen führenden Anschlußrohrstutzen mit anflanschbaren Isolierrohren ausgerüstet. Falls man die Aufladung und Entladung der Speicher zu getrennten Zeiten durchführen und für den Lade-

und Entladekreis das gleiche Wärmeträgermedium (z. B. für beide Wasser oder für beide Luft) verwenden kann, dann benötigte man für jeden Speicher nur eine einzige Wärmetauscherspirale. Dadurch könnte der technische Aufwand und die Wärmeverluste noch kleiner gehalten werden. Für den Lade- und Entladevorgang wären bei dieser Ausführungsweise dann außerhalb des Speichers zwei entsprechende Dreiwegehähne vorzusehen, mit denen dann die Umschaltung von "Ladung" auf "Entladung" , oder umgekehrt, vorgenommen würde.

Abb. 6 zeigt im Prinzip ein Anwendungsbeispiel des optimierten Hintergrund-Flachkollektors (nach Abb. 2) sowie des optimierten Langzeitwärmespeichers (nach Abb. 5) zur Beheizung eines Gebäudes. Hier ist zusätzlich noch eine elektrisch betriebene Kompressions-Wärmepumpe mit zwei voneinander getrenten Verdampfern (I und II) vorgesehen, mit der in extrem sonnenarmen Jahren der 1/2-Jahres-Speicher auFgeladen oder nachgeladen werden kann. Der in den Erdboden verlegte Verdampfer I (zur Aufnahme der niedertemperierten Wärme) könnte auch in einen Wasserbehälter verlegt sein, wie in Abb. 23 oder 25 angegeben ist. Damit könnte bei relativ hoher und konstan·*- ter unterer Entspanntemperatur der Wärmepumpe (z. B. bei T . = -5°C) die relativ große Latentwärme des Wassers (80 Kcal/Kg) bei relativ hoher Leistungsziffer (£ = 4) der WP genutzt werden. Das Regulierventil RV der WP könnte somit das ganze Jahr hindurch auf T ..» -5⁰C eingestellt bleiben. Bei Verwendung von z. B. Außenluft (Anstelle des Latentwärmespeichers) als Wärmequelle, müßte dagegen mit Rücksicht auf die tiefsten Außenlufttemperaturen im Winter (ca -30⁰C) die Entspannung des Arbeitsmittels der WP bis auf ca T . = -35⁰C vorgenommen werden. Dadurch würde bei gleicher Kondensatortemperatur (T = 85°C) die Leistungsziffer der WP fallen auf £ = ^1—- . - -fä- '- 3 ,

25 % mehr Strom erfordern als bei Verwendung des Latentwärmespeichers, wie vorgeschlagen.

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Der in Abb. 6 dem Verdampfer I nachgeschaltete Verdampfer II hat die Aufgabe, höher temperierte Wärme (als der Verdampfer I sie aus seiner Umgebung entziehen kann) aus seiner Umgebung (Verlustwärme des Elektromotors q_M und allgemeine Kellerluftwärme) zusatzlich zu entnehmen und dem Kondensator zuzuführen. Dadurch wird das zur Verfugung stehende Wärmereeervoir erhöht (q , Abb. 2if). Wegen der höheren Umgebungstemperatur am Verdampfer II können für diesen entsprechend kleinere Aufnahmeflächen vorgesehen werden.

Neben der Warmwasserheizung ließe sich selbstverständlich auch noch eine Brauchwasserbereitung vom 1/2-Jahres-Speicher betreiben (in Abb. 6 nicht gezeigt). Einzelheiten der Inbetriebnahme, Abschaltung und Temperaturregelung bei Ladung und Entladung des Speichers bezw. des Latentwärmespeichers usw. sind allgemein bekannt und bedlirfen hier keiner besonderen Erläuterung. Es wird lediglich, was das Neue anbetrifft, darauf hingewiesen, daß der optimierte Hintergrund-Falchkollektor und der optimierte Mehrstufen-Speicher einander besonders vorteilhaft ergänzen, dadurch, daß die Ausgangstemperatur des Speichers niedrig gehalten wird und somit als Eingangstemperatur in den Hintergrund-Flachkollektor gerade günstig ist, da aus Gründen kleiner Frontverluste die Enigangslufttemperatur klein, d. h. nicht wesentlich über der Umgebungslufttemperatur liegen soll. Es wird somit das nahezu gesamte Temperaturgefälle der Wärmequelle vom Verbraucher genutzt, d. h. die Hinrichtung arbeitet ohne große Wärmeverluste, also energiesparend.

Neben der beschriebenen Speicherung der Wärme mit einem Mehrstufenspeicher in Form einzelner Latentwärmespeicher bei höheren Temperaturen, könnte man bei ausschließlicher Verwendung für Wohnraumbeheizung das Speichermaterial auch großflächig verarbeiten, z. B. als Wand-, Decken- oder

Fußbodenheizung. Dazu müßte ein Speichermaterial mit einer Kristallisationstemperatur verwendet werden, die der gewünschten Wohnraumtemperatur (»22 C) entspräche. Damit wäre sowohl im Sommer als auch im Winter für konstante Wohnraumtemperatur gesorgt, da im Sommer die überschüssige

Luftwärme (über 22⁰C) vom Latentwärmespeicher aufgenommen und im Winter die gespeicherte Wärme wieder bei konstanter Temperatur (f»22°C) an die etwas kältere Umgebungsluft unverzüglich zurückfließen würde (Wohnraumbeheizung ohne technischen Energieaufwand !).

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Abb. 7 zeigt nun die optimal arbeitende Wärmekraftmaschine. Mit ihr wird eine Nutzung von kleinen Wärmedifferenzen, wie sie die Natur unentgeltlich, im Bereich von ca T= 10° - 3O⁰C, im großen Maßstab zur Verfugung stellt, Überhaupt erst ermöglicht. Die Wärmekraftmaschine besteht aus einem Verdichter und einer Turbine (Verdichter-Turbinensatz) mit einer zwischen beide geschalteten Zweistoffdüse. Die Zweistoffdüse dient zur Aufnahme des eigentlichen Arbeitsmediums (der Arbeitsquelle) in den Arbeitsprozeß des Verdichter-Turbinensatzes. Als Arbeitsquelle können Gase oder Aerosole von Umgebungsdruck verwendet werden, deren Temperatur größer ist als die in den Verdichter eingeführten Luft (Kaltluft). Als Arbeitsquelle eignet sich z. B. Heißluft aus solaren Lufterhitzern, Warmluft aus Arbeitsprozessen (Werkshallen usw.), Verbrennungsabgasen aus Wärmekraftmaschinen (z. B. aus Otto- und Dieselmotoren) oder Feuerungen (Kraftwerksfeuerungen, Müllverbrennungsanlagen) und Aerosol-Luftgemischen aus z.B. Warmwasseroder Glykol-Verdüsungen.

Der Hauptvorteil dieses Verdichter-Turbinensatzes mit zwischengeschalteter Zweistoffdüse besteht gegenüber den bisherigen Verdichter-Turbinensätzen (ohne Zweistoffdüse) darin, daß die Wärme (Arbeitsquelle) hier unmittelbar, d. h. ohne Wärmetauscher (also auch ohne Temperaturgefälle-Verluste der Arbeitsquelle) und unabhängig von der Kompressionstemperatur des Verdichters

in den Arbeitsprozeß des Verdichter-Turbinensatzes aufgenommen werden kann. Die Aufnahme Von z. B, Warmluft bei einer Temperatur von +20 C in einen von -20°C auf +200⁰G verdichteten Preßluft ist ohne weiteres möglich, da die Wärme der Arbeitsquelle (Luft von +20⁰C) durch Mischung beider Medien ineinander übergehen. Das aus der Mischtemperatur resultierende sog. Nutz-Temperaturgefälle flT kann selbstverständlich im maximalen Falle nicht höher werden als die Differenztemperatur, die sich aus der in den Verdichter eingeführten Kaltluft ( -20⁰C) und der in die Zweistoffdüse eingesaugten Warmluft (+20⁰C) ergibt. Gemäß den gewählten Temperaturen könnte also z. B. das Nutz-Temperaturgefälle höchstens Δ ^T _mov = ²⁰°^c - (-20⁰C) = ZfO⁰C werden. Ein weiterer Vorteil aus diesem Verhalten der Maschine ergibt sich, daß die Leistungsanpassung an einen Verbraucher, z.B. an einen elektr. Generator, durch Änderung der Temperatur oder des Maseendurchsatzes der Arbeitsquelle vorgenommen werden kann, ohne dabei auf die Höhe der Verdichtungstemperatur Rücksicht zu nehmen. Der Verdichter-Turbinensatz mit ZweistoffdUse eignet eich daher auch zum Antrieb eines Wechselstromgeneratore zur Einspeisung in ein Verbundnetz, bei dem konstante Drehzahl (das bedeutet auch konstante Verdichtungstemperatur) erforderlich ist. Die Inbetriebsetzung des

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Verdichter-Turbinensatzes erfolgt durch einen separaten Anwurfmotor oder durch den als Motor/Generator ausgeführten Generator über das Verbund-Netz. Die Abschaltung kann durch Unterbrechung der Arbeitsquelle, z. B. mit einem Magnetventil, Absperrhahn,Schieber oder ähnlichem, vogenommen werden.

In Abb. 8 ist eine "doppelseitig" wirkende Zweistoffdüse dargestellt. Mit ihr lassen sich infolge der günstigen Sogwirkung, die an beiden Selten der Düse wirksam ist, entsprechend größere Massendurchsätze für die Arbeite quelle erzielen, als mit einer (n. Abb.7) »einseitig" wirkenden Zweistoffdüse möglich ist.

Abb. 9 zeigt die Prinzipskizze des in Abb. 7 mehr im Detail (Schnitt) dargestellten Verdichter-Turbinensatzes mit zwischengeschalteter Zweistoffdüse. Die Maschine arbeitet im offenen Kreisprozeß. Zur Verhinderung einer Verschmutzung durch Luftstaub usw. muß ein entsprechendes Filter vorgeschaltet werden. Es ist jedoch auch ein geschlossener Kreisprozeß möglich, wie in Abb. 10 im Prinzip gezeigt ist. In diesem Falle muß die Wärmezufuhr (Arbeitsquelle) und Wärmeabfuhr (Abwärme) über Wärmetauscher zu- bezw. abgeführt werden. Diese Wärmetauscher berühren jedoch die bereits geschilderte vorteilhafte Wärmeaufnahme in den Verdichter-Turbinenkreis nicht.

Bei der Ausführung mit geschlossenen Kreisläufen können als Arbeitsmittel geeignete Gase mit hoher spez. Wärme, z.B. Helium, verwendet werden. Um die Leistung des Maschinensatzes variieren zu können, ließe sich bei dieser Ausführung auch eine sog. Lademaschine einsetzen, mit der der Druck in den beiden Kreisläufen entsprechend verändert werden kann (höherer Kreislaufdruck ergibt einen größeren Wärmeumsatz an den Wärmetauschern und damit eine größere Maschinenleistung; kleinerer Kreislaufdruck ergibt einen entsprechend kleineren Wärmeumsatz und damit eine kleinere Maschinenleistung).

Die Abbildungen 11 und 12 zeigen die zu Abb. 7, 9 und 10 gehörenden P,v- und T,s- Diagramme. Der Druckabfall von 2—»3 (im P,v-D±agr.) auf etwa den halben Wert ergibt sich bei gleichgroßen Massendurchsätzen, also bei nij = m₂ (Abb. 10). Das Verhältnis m. : m_ kann an der Zweistoffdüse eingestellt werden indem diese variabel gestaltet wird. Wie aus dem T₁B-Diagramm zu entnehmen ist, ergibt sich bei adiabatischer Verdichtung und bei anschließender isothermer und adiabatischer Entspannung eine nahezu rechteckförmige Nutzwärmefläche, also nahezu den höchst möglichen Carnot¹sehen Wirkungsgrad. Günstiger ist natürlich ein Kreisprozeß, den

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man genau nach Carnot durchführte, indem man die Verdichtung Isotherm-*· Adiabat und die Kntspannung Isotherm --*- Adiabat durchrührte. Der dargestellte Prozeß ist jedoch praktisch der einfachere. Ks empfiehlt sich jedoch, die Verdichtung quasi Isotherm (bei guter Kühlung) durchzuführen, um eine möglichst grolie Nutzwärmefläche zu erhalten. Der im T,s-Diagramm (Abb. 12) dargestellte Linienzug 2«2 soll darauf hindeuten, daß die Verdichtungstemperatur T_?, nicht mit der Arbeitsquellen-Temperatur T2 übereinstimmt und folglich bei der Entspannung in diesem Bereich keine Nutzwärme-Fläche auftritt bezw. entstehen kann. Der theoretisch thermische Wirkungsgrad ergibt sich zu

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1 .

Die weiteren Zeichnungen , Abb. 13-2Ö, zeigen Anwendungfälle der bisher beschriebenen Komponenten sowie Kombinationen mit bekannten Wärmekraft- und Wärmearbeitsmaschinen, z. B. mit NH,-Dampfkraftmaschinen und Wärmepumpen.

So zeigt beispielsweise Abb. 13 eine Wärraekraftanlage für Solarwärme, bei der ein Hintergrund-Flachkollektor (nach Abb. 2) die notwendige Heißluft zum Betrieb der Wärmekraftmaschine (nach Abb. 9) liefert. Es ließe sich selbstverständlich auch eine Maschine mit geschlossenem Kreisprozeß (nach Abb., 10) verwenden, wenn man zur Abfuhr der (etwa halben) Abwärme an die kältere Außenluft einen entsprechenden Wärmetauscher (Kaltkörper nach Abb. 10) vorsieht. Falls man den in Abb. 5 dargestellte Langzeitwärmespeicher in den Primärkreis schaltet, ist ein durchgehender Betrieb möglich, d. h. von kurzzeitigen Strahlungsausfällen, z. B, bei vorübergehender Bewölkung, weitgehend unabhängig. Außerdem ließe sich bei dieser Betriebsweise für den Arbeitskreis ein günstigeres Arbeitsmittel als Luft verwenden. Die in Abb. 13 dargestellte AusfUhrungform ist jedoch die praktisch einfachere und somit auch die preisgünstigere. Mit den in Abb. 13 angegebenen Temperaturwerten erreicht man theoretische Wärme-Wirkungsgrade bis zu etwa 30 %, praktisch etwa 20 %. In klimatisch günstigen Zonen erreicht man jedoch noch höhere Heißlufttemperaturen und somit noch höhere Wirkungsgrade bei der Umwandlung in technische Arbeit.

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In Abb. 1/f ist eine für Winterbetrieb geeignete Kraftanlage mit geschlossenen Kreisläufen dargestellt, die die Wärme (einschließlich die LatentwMrme) eines Sees nutzt. Bei einem Temperaturgefälle zwischen dem Seewasser (ca +if⁰C) und der kalten Aulienluft (ca -}0°C) erreicht man ein nutzbares Wärmegefalle von ca 25°C Damit können theoretische thermische Wirkungsgrade bis etwa 9 %, praktisch etwa 5 % erreicht werden. Aus 1 tot Wasser von 4°C bis zur Eisbildung können praktisch noch

Q„ . =0 . η., = 84.10³ Kcal/m³ .0,05 = if200 Kcal/m³ ^Tiutz ^ges. ith

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60 Kcal/kWh ** ^J «-»ν» δ»»««»" werden.

Zur Gewinnung von 1 kWh technischer oder elektr. Arbeit sind somit rund 200 1 Wasser notwendig. Aus einem See mit 1 Km Wasservolumen können somit in kalten Zonen (bei ca -30°C Außenlufttemperatur) mit einem solchen sog. "Winterkraftwerk" etwa 5 kWh/m³ .10^m³ =5 Milliarden Kilowattstunden elektr. Energie gewonnen werden.

(Wenn man die in den nördlichen Zonen oder in den Polargebieten der Erde gelegenen großen Seen oder Meere als Wärmequelle in dieser Weise nutzen würde, dann könnte man den jährlichen energiehunger der Menschheit völlig befriedigen !)

Um die Wärme von Meeren, Seen oder FlUßen mittels Wärmetauscher auf einfache Weise nutzen zu können, müßten entlang den Stränden und Ufern geeignete, rinnenförmige Mauerwerke errichtet werden, wie etwa in Abb. 15 vereinfacht dargestellt ist. Zur Herstellung eines intensiven Wärmekontaktes mit den großen Wassermassen sind im Mauerwerk, das auf der Meer-, See- oder Flußseite gelegen ist, entsprechende Durchbrüche vorzusehen, die einen Wasseraustausch und damit auch den gewünschten Wärmeaustausch ermöglichen. Um den Wärmetauscher vor dem (aggressiven) Salzwasser sowie einer Verschmutzung oder Eisbildung zu schützen, sind die Wärmetauscherflächen mit einer entsprechenden Schutzhülle umgeben die gut Wärmedurchläßig und mit einer frostsicheren Flüssigkeit, z. B. mit Glykol, aufgefüllt ist.

In Abb. 16 ist eine für "Winter/Sommerbetrieb" geeignete Kraftanlage mit offenen Kreisläufen dargestellt. Diese Anlage eignet sich für einen Betriet in gemäßigten Zonen, in denen sowohl im Winter als auch im Sommer möglichst große Temperaturabweichungen vom Gefrierpunkt des Wassers auftreten (z. B. in den nördl. gelegenen Gebieten mit Landklima). Da bei der Wärmekraftmaschine (nach Abb. 7-10) an der Zweistoffdüse immer das Medium mit der

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höheren Temperatur (ArbuitsquellentempöraLur) eingerührt werden muß, sind zum Zwecke einer einfachen Umschaltung, von z. Ii. "Winterbetrieb" auf "Sommerbetrieb" , zwei Dreiwegehähne DH₁ und Jj H- vorgesehen. So kann beispielsweise die im Winter von außen angesaugte Kaltluft über den Wärmetauscher (bis etwa T = 0°G) aufgewärmt und (über DH-) der Zweistoffdüse zugeführt werden. Dem Verdichter wird dagegen unmittelbar die kalte Winterluft (über DH.) zugeführt. Der eigentliche Energielieferant ist also bei Winterbetrieb die Wärme des Wassers einschl. deren Latentwärme. Bei langem Winterbetrieb ist es möglich den Wasservorrat (See) weitgehend einzufrieren. Somit steht für den nun kommenden Sommer ein riesiges Kältereservoir zur Verfügung, das als Wärmesenke dient. Die vom Verdichter von außen angesaugte Warmluft wird somit über den Wärmetauscher bis auf etwa T = 0 C herabgesetzt, wobei die Luftwärme dem Eis als sog. Schmelzwärme zugeführt wird. Der Energielieferant ist bei Sommerbetrieb jedoch die Luftwärme, die unmittelbar von außen (über den Dreiwegehahn DH_) der Zweistoffdüse zugeführt wird. Um unnötige Verluste an Schmelzwärme während den heißen Sommermonaten zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Seeoberfläche vor direkter Sonneneinstrahlung zu schützen, beispielsweise durch Abdecken mit entsprechenden Matten oder ähnlichem. Statt eines Sees können selbstverständlich auch entsprechende künstlich angelegte, wärmeisolierte Wasserspeicher vorgesehen werden. Um die hohen Kosten eines völlig wärmeisolierten Wasserspeichers von sehr großem Volumen, z. B. von 1 km-⁵, zu sparen, genügt es auch einen Tief see als Wärmequelle zu benutzen, den man lediglich an seiner Oberfläche wärmeisoliert (im Winter gegen das Einfrieren durch die natürliche kalte Umgebungsluft und im Sommer gegen das Schmelzen des Eises durch die warme Umgebungsluft und der Sonneneinstrahlung).

In Abb. 17 ist eine für ausschließlich "Winterbetrieb" geeignete Wärmekraftanlage mit zwei offenen Kreisläufen gezeigt, wobei für den energieliefernden Kreislauf ein Aerosol verwendet ist, das mit dem Wärmevorrat (mind. 8θ Kcal/Kg Wasser) eines Tiefsees auf etwa O⁰C aufgewärmt wird. Das verwendete Aerosol wird über einen entsprechenden Vergaser bezw. Aerosolgenerator hergestellt und über die Zweistoffdüse der Turbine zugeführt. Da die spezifische Wärme des Aerosols wesentlich größer ist als die von Luft, können hier für gleiche Maschinenleistungen entsprechend kompaktere Turbinensätze verwendet werden.Um das Aerosol vor dem Einfrleren zu schützen, ist für diesen Kreislauf ein stark unterkühlbares Arbeitsmittel verwendet, Z. B. Glykol. Die zur.Äerosolerzeugung notwendige Luft

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kann ebenfalls mi t dem Wurmevorrat du:; St;ts aufguwHrmt und über einen Wärmetauscher dem Aerosolgenerator zügerührt wurden, wie in Abb. 17 angegeben ist. Um an ülykol zu sparen, durchlauft das aus der Turbine austretende, unterkühlte Ulykol-Luftgemisch eine geeignete Trenneinrichtung (Luft-Glykol-Abticheider), von der die abgetrennte Kaltluft nach außen (ins Freie) geführt wird. Da die Eisbildung des Wssers in einem See bei zunehmender Abkühlung (Wärmeentzug) von oben nach unten verläuft, sind die Wärmetauscher möglichst an der tiefsten StelLe, also im Bereich größster Wasserdichte (und somit bei mindestens 4⁰C bis 0°C Wassertemperatur) anzuordnen. Eine Eisbildung an den Austauscherflächen wird dadurch (auch bei völliger Außschöpfung des Wärmevorrates) vermieden.

In Abb. 18 ist ebenfalls (wie in Abb. 17) eine für ausschließlich "Winterbetrieb" geeignete Wärmekraftanlage mit zwei offenen Kreisläufen dargestellt. Der über die Wärmekraftmaschine betriebene elektr. Gleichstromgenerator dient zur Versorgung einer Elektrolyseanlage zur Wasserstoff erzeugung. Die bei der Elektrolyse freigesetzte Verlustwärme (etwa 50 % der el. Energie) wird über einen Wärmetauscher dem Arbeitskreis der Wärmekraftmaschine wieder zugeführt (Rückführung der Abfallwärme). Damit ist es möglich die Eingangs-Lufttemperatur in die Turbine zu erhöhen und einen entsprechend höheren thermischen Wirkungsgrad zu erreichen. Der Wärmeinhalt des zur Verfügung stehenden Wasserreservoirs (z. B. Tiefsee) kann daduch besser genutzt werden. Ohne diese thermische Rückkopplung erreicht man beispielsweise einen thermischen Wirkungsgrad (mit den auf Abb. 18 angegebenen Temperaturwerten) von etwa _n _ ^T2 " ^T4 _ 273 - (273-50) 30 _ _in _0/ %h T₂ 273 ⁼ 273 " '" '

Bei einer Rückführung der Wärme steigt der Wirkungsgrad an auf etwa

_n _ ^T2 " \ _ (273 + 15) - (273 - 30) _ 45 .,- * Uh "T₂ " ^{275 + 15} ~ 288 "

Statt der hier offen betriebenen Kreisprozesse ließen sie sich auch geschlossen durchführen, wie in Abb. 19 vereinfacht gezeigt ist. Als Arbeitsmittel ließe sich bei geschlossenen Kreisläufen auch das wärmetechnisch günstigere Helium verwenden.

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Bisher wurden Wärmekraftanlagen behandelt, die entweder für reinen Winterbetrieb (Abb, 1/f, 17, l8) oder für ausschließlich reinen Winter- und Sommerbetrieb (Abb. Ib) geeignet sind. KUr durchgehenden Jahresbetrieb (Dauerbetrieb) sind diese jedoch nicht geeignet, da es sowohl in gemässigten als auch in kalten Zonen Übergangszeiten gibt (Frühjahr und Herbst), in denen die Lufttemperatur bei oder nahe dem Gefrierpunkt des Wassers (0 C) liegt. 'Da in diesen Zeiten also keine oder nur geringe Temperaturabweichungen vom Nullpunkt, bezw. Temperaturdifferenzen als "Nutzwärmegefälle" vorhanden sind, ist ein Betrieb in der bisher gezeigten einfachen Weise nicht möglich. Um ein Dauerbetrieb während des ganzen Jahres dennoch zu erreichen, benötigt man je einen separaten Kälte- und Wärmespeicher, mit denen eine überbrückung dieser sog. Ausfallszeiten möglich ist. (Eine Überbrückung dieser Ausfallszeiten wäre z. B. auch möglich, wenn man mittels wasserstoffgasbetriebenen Kraftmaschinen die Generatoren während diesen naturbedingten Ausfallszeiten antriebe. Der dazu notwendige Wasserstoff könnte während den schwachen Belastungszeiten des elektr. Netzes in den eigentlichen Betriebszeiten (Sommer und Winter) bereitgestellt bezw. durch Elektrolyse erzeugt werden. Damit wäre auch eine konstante Auslastung derartiger Naturkraftwerke (während den etwa 200 Tagen Betriebszeit pro Jahr) erreichbar.)

In Abb. 20 ist eine für GanzJahresbetrieb geeignete Wärmekraftanlage gezeigt, Diese benötigt einen Kältespeicher (A), einen Wärmespeicher (B₁) und einen Kondensatspeicher (B₂). Die Ladung des Kältespeichers A erfolgt in den Wintermonaten mit Kaltluft bei T<O°C und die Ladung des Wärmespeichers B. in den Sommermonaten mit Warmluft bei T>O°C (in unseren Breitengraden mit je etwa 5 Monate Ladezeit). Während des Betriebes der Kraftanlage wird nunmehr in den Wintermonaten - unabhängig von der Aufladung des Kältespeichers - über den Dreiwegehahn DHL, vom Kompressor V, Kaltluft von außen angesaugt. Gleichzeitig wird aus dem Wärmespeicher Warmwasser und Warmluft bezogen, über den Vergaser bezw. Aerosolgenerator zu Aerosol verarbeitet und der Turbine T zugeführt. Das aus der Turbine austretende, entspannte, kalte Wasser-Luft-Gemisch wird dem Speicher B-zugeführt, worin eine Trennung der beiden Medien stattfindet. Das kalte HgO-Kondensat verbleibt im Speicher B... „ während die Kaltluft nach außen abgegeben wird. Das Volumen des HpO-Wn.naespeichers B. ist so bemeesen, daß ein Betrieb während des ganzen Jahres möglich ist. Dabei wird während der Sommerzeit die Gelegenheit dazu benutzt, den Kondensatspeicher B_? aufzuladen u., ',an (noch etwa halb vollen) Wärmespeicher B. nachzuladen.

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In den nun kommenden Wintermonaten wird aus dem nunmehr gefüllten und aufgeladenen Kondensatspeicher B₂ Warmwasser bezogen und zu Aerosol verdüst, während das nun anfallende kalte Kondensat dem Speicher B. zugeführt wird (alternierende Betriebsweise der Speicher B-, kU)»

Während den Sommermonaten und den Übergangszeiten (bei T- „_t r. O⁰C bis +5⁰U) muß die zur Verfügung stehende Warmluft über den Kältespeicher A abgekühlt werden, befor sie dem Kompressor V zugeführt werden kann. Dazu werden die beiden Dreiwegehähne DH₁ auf "Entladung" und DH~ auf "Sommer" umgestellt, wie aus Abb. 20 hervorgeht.

Neben der in Abb. 20 angegebenen Aufladung der Speicher B. und B_ mit warmer Somraerluft, könnte auch eine Aufladung mit Niedertemperatur-Sonnenkollektoren, Kraftwerksabwärme, der Wärme aus Kläranlagen oder der Wärme aus heißen Quellen (Geothermische Wärme) vorgenommen werden. Bei Verwendung von Kraftwerksabwärme oder heißen Quellen wäre ein kontinuierlicher Verbrauch das ganze Jahr hindurch sichergestellt, so daß keine groß angelegten Speicher, sondern nur relativ kleine Wärmetauscher vorzusehen wären.

T, - T

Die maximale Arbeit ergibt sich zu W = G . c . —^= — , worin

max ρ χ -^

G das Gewicht, c die spez. Wärme des H^O/Luft-Aerosols, T, die absolute Eintritts- und T₁. die Austrittstemperatur bedeuten.

In Abb. 21 ist eine Ammoniak-Dampt'krai'tanlage dargestellt, die mit Luftwärme (während den warmen Sommermonaten etwa ab 20 C Lufttemperatur) betrieben werden kann. Der notwendige Kältespeicher (oder die Wärmesenke) zur Kondensation des ΝΗ,-Dampfes wird während den kalten Wintermonaten bei Lufttemperaturen T<O°C bereitgestellt. Während des Betriebes im Sommer wird also die Kondensationswärme des NH,-Dampfes als sog. Schmelzwärme (+80 Kcal/Kg) dem Eis wieder zugeführt, die im Winter als Erstarrungswärme (-80 Kcal/Kg) mit der kalten Außenluft dem Wasser entzogen wurde. Da diese Anlage mit dem nach Carnot arbeitenden Kreisprozeß betrieben werden kann, ist der thermische Wirkungsgrad relativ groß (der grö'ßt mögliche, der mit Wärmekraftmaschinen erreicht werden kann). Mit den in Abb. 21 angegebenen Temperaturen ergibt sich ein thermischer Wirkungsgrad von i^_th = 15/293 = 5 %, praktisch etwa 3 %.

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Es ist selbstverständlich auch möglich - Analog zu Ausführung nach Abb.16 die nach Abb. 21 dargestellte NH-,-Dampfkraftanlage mit der nach Abb. 9 dargestellten Kalt-Warmluft-Kraftanlage zu verbinden, wie in Abb. 22 dargestellt ist. Bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Anlage wird zuerst die Kalt-Warmluft-Kraftanlage während den kalten Wintermonaten in Betrieb genommen, wobei mit der noch kalten Abwärme (bei Tk -15⁰C) dem HpO-Latentwärmespeicher die nötige Erstarrungwärme entzogen wird. Die dabei bis auf etwa -3⁰C aufgewärmte Umluft wird der Turbine T als Arbeitsquelle zugeführt. Die Wärmedifferenz (ΔΤ = 1 5° - 3° = 12⁰C) wird genutzt und über die Kupplung K- dem Generator in Form technischer Arbeit zugeführt. Im darauffolgenden Sommer kann nun die NH,-Dampfkraftanlage in Betrieb genommen werden, wobei dann die technische Arbeit über die Kupplung K- dem Generator zugeführt wird. Während des Betriebes der NH,-Dampfkraftanlage wird somit die dem Latentwärmespeicher während des Winters entzogene Erstarrungswärme in Form von Schmelzwärme bei der Kondensatbildung (Verbrauch von Kondensationswärme) wieder zugeführt. Beide Anlagen ergänzen sich somit gegenseitig, wobei die Latentwärme in beiden Richtungen genutzt wird. Bei völlig von der Umgebung isoliertem Latentwärmespeicher stehen somit für jede der beiden Betriebsweisen 80 Kcal pro Kg Speicherwasservolumen (einmal zur Nutzung und einmal als Wärmesenke) zur Verfügung.

In Abb. 23 ist eine Kümpressions-WiirmepumpenanLage dargestellt, die nach dem Carnot« sehen Kreisprozeß (T,s-Diagramm nach Abb. 2*t) arbeitet. Als untere Wärmequelle steht ein mit normalem Wasser gefüllter sog. Latentwärmespeicher zur Verfugung. Der Wasserbehälter ist aus Metall, z. B. aus Aluminium oder aus einem nichtrostendem Eisenblech, und steht in gutem Wärmekontakt mit seiner Umgebung, z. B. mit dem Erdboden im Kellergeschoß eines Wohnhauses. Das Gesamtwärmereservoir setzt sich also zusammen aus der Wärme des Wassers über O⁰C und der Latentwärme (80 Kcal/Kg). Bei 20⁰C Wasserwärme stehen somit insgesamt 100 Kcal pro Kg Speichervolumen zur Verfugung. Zur Nutzung der Latentwärme des Wassers muß der Verdampfer der WP von einer Flüssigkeit umgeben sein, deren Gefrierpunkt unter dem des Wassers und Verdampfers liegt. Hierzu eignet sich z. B. Glykol (die bekannt· Autokühlerflüssigkeit) mit etwa einem Gefrierpunkt von -3O⁰C. Um das Latentwärmereservoir möglichst groß zu halten ist die Kühlflüssigkeit, wie in Abb. 23 angegeben ist, um den Verdampfer herum eng begrenzt und mit einer dünnwandigen und gut wärmeleitenden sog. Wärmetauscherhülle umgeben. Der Aufbau kann auch in umgekehrter Weise vorgenommen sein, wie z. B. in Abb. Z3 angegeben ist. Dort ist der eigentliche Wärmevorrat

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(Wasser) in einer dünnwandigen sog. Wärmetauscherblase untergebracht, während die Kühlflüssigkeit diese vollständig umgibt und die innere Behälterwand berührt. Diese Anordnung ist hinsichtlich der Wärmeaufnahme etwas gUnstiger als die nach Abb. 23_f da der Metallbehälter unmittelbar mit der Kühlflüssigkeit in Verbindung steht und somit auf tiefere Temperaturen, als auf Null Grad,gebracht werden kann und somit mehr Wärme,wie zuvor, aus seiner Umgebung aufzunehmen vermag. Dafür kann allerdings bei gleichgroßem äußerem Behältervolumen ein etwas kleineres Wasservolumen (und damit Latentwärmevolumen) untergebracht werden.

Die Verwendung eines Wasser-Latentwärmespeichers anstelle eines Luftwärmereservoirs als untere Wärmequelle für den Betrieb einer WP hat folgende Vorteile: Das Arbeitsmittel (z. B. Aiüoniak, NH₇.) der Wärmepumpe braucht nur auf relativ hohe Temperaturen, z. B. auf T = -5°C, entspannt zu werden um auch noch in kalten Wintermonaten (z. B. bei -30⁰C Lufttemperatur) eine ganzjährige, relativ hohe Leistungsziffer zu erhalten. Man spart somit an elektrischer Energie für den Betrieb des Kompressors der WP. Mit den in Abb. 23 vorliegenden Temperaturen (T = 85°C, T = -5°C) erhielte man z. B. eine Leistungsziffer von 2 = 4. Bei Verwendung eines Außenluftwärmereservoirs müßte dagegen mit Rücksicht auf die tiefsten Lufttemperaturen im Winter die Entspannung des Arbeitsmittels auf etwa T = -35 C vorgenommen werden. Damit erhielte man bei gleicher Kondensatortemperatur (T = 85°C) wie zuvor, eine Leistungsziffer von nur £ = 3· Der Strombedarf würde sich somit bei dieser Betriebsweise auf 25 % erhöhen.

In Abb. 26 ist eine Autark arbeitende Wärmepumpenanlage gezeigt, d. h. die zum Betrieb des Kompressors der WP notwendige techn. Arbeit liefert eine Sommer-Winter Kraftanlage (nach Abb. 16). Die Einrichtung kann in dieser AusfUhrungsform während den Winter- und den Sommermonaten die techn. Arbeit zum Betrieb des Kompressors der WP selbst liefern. Während der übrigen Zeit d. h. während den naturbedingten Stillstandszeiten der bereits beschriebenen Sommer-Winter-Kraftanlage, könnte mit dem ohnehin notwendigen Anwurfmotor ein gewisser Notbetrieb aufrechterhalten werden. Falle jedoch die WP unmittelbar in einen Mehrstufen-Wärmespeicher (z. B. nach Abb. 5) einspeist, ist dieser sog. Notbetrieb nicht mehr notwendig. Die Anlage arbeitet in diesem Falle völlig autark. Die Aufladung des Mehrstufen-Wärmespeichers kann auch in den Sommermonaten erfolgen. In diesem Falle arbeiten die beider Anlagen wärmemäßig einander entgegen, d. h. man kommt mit einem relativ kleinen Latentwärmespeicher aus.

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L e e r s e i t e

Claims

NAOHGEREICHT

Patentansprüche

1,J Einrichtungen zur optimalen Nutzung von Solarenergie in Form von Heizwärme und technischer Arbeit, dadurch gekennzeichnet, daß optimal arbeitende Komponenten verwendet sind in Form eines

a) solaren Lufterhitzers,

b) Langzeitwärmespeichers,

c) Gasturbinensatzes mit Zweistoffdüse.
2. Einrichtungen zur optimalen Nutzung von Solarenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der solare Lufterhitzer (zur Erzeugung hoher Lufttemperaturen und zur Vermeidung von Frontverlueten) einen im Hintergrund angeordneten Absorber aufweist, der mit mindestens zwei auf der Frontseite in Gegenrichtung vom Arbeitsmedium (Luft) durchströmenden, lichtdurchläßigen Kanälen ausgerüstet 1st,

b) der Langzeitwärmespeicher (zur Vermeidung von größeren Wärmeverlusten an die Umgebung) aus mehreren einzelnen Wärmespeichern (Normal- oder Latentwärmespeichern) besteht, die in einem äußeren wärmeisolierten Metallgefäß untergebracht sind, wobei die inneren Wärmespeichergefäße als reine Isoliergefäße ausgeführt und ineinander angeordnet sind,

c) der Gasturbinensatz (zur Vermeidung von Temperaturgefälle-Verlusten der Primär-Wärmequelle sowie zur Aufnahme von niedertemperierter Wärme in den Arbeitskreisprozeß, unabhängig von der Kompressionstemperatur des Verdichters) mit einer Zweistoffdiise versehen ist, die zwischen Verdichter und Turbine geschaltet ist.

Hierzu-4$φ Blatt Zeichnungen Abb. 1 - 26

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