DE3017300A1

DE3017300A1 - Verfahren und system zur ausnutzung von solarer energie

Info

Publication number: DE3017300A1
Application number: DE19803017300
Authority: DE
Inventors: Ernst Christian Pedersen
Original assignee: PEDERSEN LINDY MALMBORG
Current assignee: PEDERSEN LINDY MALMBORG
Priority date: 1979-05-02
Filing date: 1980-05-02
Publication date: 1980-11-13
Also published as: DK194980A; GB2053270A

Description

Verfahren und System zur Ausnutzung von solarer Energie

Die Erfindung betrifft die Ausnutzung vcn solarer Energie mittels eines Kollektorsystems, bei dem Flüssigkeit als Medium zum Sammeln und Übertragen von Wärme dient, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Energieversorgung im privaten Bereich.

Es ist bekannt, daß solare Energie stattdessen auch als fotoelektrische Energie gesammelt werden kann, jedoch wird für private Zwecke die Verwendung von Wärmekollektoren als Energiegeneratoren bevorzugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und System zur Erfassung und Ansammlung solarer Energie zu schaffen.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß solare Wärmeenergie und solare fotoelektrische Energie durch eine geeignete Kollektoranordnung gesammelt wird, daß erwärmte Flüssigkeit in einem Speichertank gespeichert wird, daß die elektrische Energie zur Speisung eines Wasserstoff generators verwendet wird, daß der Wasserstoff in einem Wasserstoffakkumulator gesammelt wird, daß der Wasserstoff als Brennstoff in einem mit Wasserstoff befeuerten an den Speichertank angeschlossenen Flüssigkeitserhitzer vervvendet und die hierbei gespeicherte Energie ausgenutzt wird, wobei die Verfahrensschritte individuell in Abhängigkeit von den tatsächlichen Wetter- und Verbrauchsbedingungen gesteuert

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ORfGlNALIlMSPECTED

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Ein Solarenergiesystem zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch Solartafelmittel zum Sammeln von Wärme mittels einer Flüssigkeit und von Elektrizität mittels Solarzellen, einen Speichertank für erwärmte Flüssigkeit, einen von der solaren elektrischen Energie gespeisten Wasserstoffgenerator, einen Wasserstoffakkumulator zur Speicherung des erzeugten Wasserstoffs, einen mit Wasserstoff befeuerten Flüssigkeitserhitzer, der Wasserstoff von dem Akkumulator empfängt und warme Flüssigkeit dem Speichertank zuführt, und Steuermittel zur Steuerung der Operationen des Systems.

Die Erfindung beruht auf der kombinierten Verwendung oder Sammlung sowohl von Wärmeenergie als auch von fotoelektrischer Energie von der Sonne, wobei Mittel vorgesehen sind, um getrennt die Wärmeenergie in einem akkumulierenden Medium wie z.B. Wasser in einem Speichertank und die elektrische Energie durch Verwendung zur Erzeugung von Wasserstoff und zur Ansammlung des Wasserstoffs in einem getrennten Akkumulator anzusammeln. Der Wasserstoff kann entweder bei Bedarf oder im Fa.l Ie einer überschüssigen Erzeugung einem Brenner in einem Flüssigkeitserhitzer zugeführt werden, der an den Speichertank angeschlossen ist, so daß beide Energiearten ggfs. als vrärmo im Tank gespeichert oder als Wärme dem häuslichen Heizungssystein zugeführt werden können.

Hierdurch ist es möglich, in wirksamer Weise beide Fncrgiearten ρ it vorteilhaften Akkumulationsmöglichkeiten einschließlich eines gemeinsamen Tankakkumulators zu verwenden, wodurch der Wasserstoffakkumulator mit einer bemerkenswert kleinen Kapazität ausgelegt werden kann.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß die Kollektoren für die Wärmeenergie

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und die fotoelektrische Energie zu einem einzigen Kollektorelement kombiniert werden können, wenn dieses einen ebenen, mit Flüssigkeit gefüllten Zwischenraum zwischen einer schwarzen Rückseite und einer durchsichtigen Vorderwand enthält, wobei der Zwischenraum oben und unten mit Anschlußrohren zur Verbindung der Flüssigkeit mit einem Flüssigkeitskreislauf versehen ist. Ein solches Element kann mit Solarzellen an seiner hinteren Seite versehen werden, wobei die Zellen das Licht empfangen, nachdem es die vordere Wand und die Flüssigkeit (Wasser, durchsichtiges Öl oder dergleichen) passiert hat, und somit erzeugt die Strahlung sowohl Wärme als auch Elektrizität, wenn sie auf die hintere Seite auftrifft. Die elektrischen Verbindungen mit den Zellen können auch durch die äußeren Flüssigkeitsrohre selbst hergestellt werden, wenn diese aus Kupfer bestehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 eine schematische Darstellung

einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarenergiesystems,

Fig. 2 eine Ouerschnittsdarstellung

eines Ausgleichsventils, das in dem erfindungsgemäßen Solarenergiesystem verwendbar ist, und

Fig. 3 eine perspektivische Darstel

lung eines bevorzugten Solartafel elements.

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Das dargestellte Sonnenenergiesystem enthält eine Kollektortafel 2, die hinter einer Glasfrontplatte mit Wasser
gefüllt ist und mit mehreren Gruppen von Solarzellen versehen ist. Die von der Tafel 2 gesammelte Energie wird über Kupferrohre 4 und 6 als warmes Wasser bzw. elektrischer Strom in
ein Kollektorsystem geleitet. Die obere Kupferröhre 4 ist mit einem Thermostatventil 8 versehen, das den Wasserausfluß
von der Kollektortafel 2 steuert. Die Röhren 4 und 6 sind mit einem Speichertank 14 über Trennverbinder 10 verbunden, die
zum Anschluß der Röhren 4 und 6 an eine Steuereinheit 12 dienen .

Die elektrische Energie dient zur Speisung eines Wasserstoffgenerators 16, der Wasser elektrolytisch in Sauerstoff and Wasserstoff zersetzt. Das im Wasserstoffgenerator verwendete Wasser kann aus der Wasserleitung zugeführt werden und
braucht lediglich eine einfache Wasserreinigungseinheit 18 zu durchlaufen. Die im Generator 16 zwischen den Elektroden 20
und 22 verwendete Gleichspannung betragt vorzugsweise 3 Volt und der Gleichstrom beträgt etwa 7 bis 10 Ampere. An der linken (+) Elektrode 20 wird Sauerstoff erzeugt, während an der richten (-) Elektrode 22 Wasserstoff erzeugt wird. Der Wasserstoffgenerator 16 ist mit Sicherheitsventilen 26 und einem
Konstantpegelsensor 24 versehen.

Das von dem Generator 16 an einer Seite einer Trennuand erzeugte Sauerstoffgas wird der Atmosphäre über ein
Ausgleichsventil 28 zugeführt, das weiter unten näher beschrieben wird. Der erzeugte Wasserstoff wird durch ein Rückschlagventil 30 in einen ersten Wasserstoffakkumulator 32
gedrückt, der mit einem wasserstoffabsorbierenden Material
gefüllt ist, vorzugsweise mit einer Eisen-Titan-Legierung
(FeTi), die für ihre Fähigkeit bekannt ist, Wasserstoff bei

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jeder Temperatur zwischen -20 C und +80 C zu absorbieren, d.h. dieser Akkumulator arbeitet bei Raumtemperatur. Der primäre Wasserstoffakkumulator 32 ist mit einer kombinierten Heiz- und Kühlspule 34 versehen, durch die beim Füllen des Akkumulators Hitze abgeführt werden kann, während die Spule 34 zur Erwärmung des Akkumulators 32 verwendet werden kann, um den Wasserstoff wieder herauszutreiben.

Der primäre Wasserstoffakkumulator 32 ist in bekannter Weise mit einem sekundären Wasserstoffakkumulator 36 verbunden, der ein anderes wasserstoffabsorbierendes Material enthält, z.B. Magnesium (Mg), das Wasserstoff in beträchtlicher Menge absorbieren kann, allerdings bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur von etwa 300 C, was bedeutet, daß der sekundäre Wasserstoffakkumulator 36 während des Füllvorgangs und des Entleerungsvorgangs entsprechend gekühlt bzw. erwärmt werden muß.

Vom sekundären Magnesium-Akkumulator 36 wird der Wasserstoff einem Brenner in einem Wassererhitzer 38 zugeführt, in dem der Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, jedoch kann der Brenner -was in gestrichelten Linien dargestellt ist - auch mit dem Wasserstoff unmittelbar Von dem primären FeTi-Akkumulator 32 versorgt werden. Im Erhitzer 38 wird der Wasserstoff verbrannt, um ein Spulensystem 40 zu erwärmen, das zu einem zentralen Heizsystem 42 gehört, das ebenfalls mit dem Wärmespeichertank 14 verbunden ist. In Zeitperioden, in denen der Wärmeverbrauch niedrig ist, kann die überschüssige Wärme für die Verwendung in Zeiten hohen Wärmeverbrauchs im .Wärmespeichertank 14 gespeichert werden. Der Erhitzer 38 kann außerdem oder alternativ erforderlichenfalls aus einer Gasflasche 44 gespeist werden.

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In der Praxis kann es von Vorteil sein, wenn die Akkumulatoren 32 und 36 als teilweise integrierte Einheiten ausgebildet werden, um die Länge der ei forderlichen Rohrverbindungen so klein wie möglich zu halten, und um ein kombiniertes Kühl- und Heizsystem für die Verwendung beim Füll- bzw. Entleerungsvorgang zu erhalten.

Das dargestellte System enthält ferner eine elektrische Stromversorgungseinheit 46, durch die der Wasserstoff generator 16 und die Steuereinheit 12 beispielsweise in Notfällen mit Energie versorgt werden kann. Ferner kann aas System mit anderen alternativen Energiesystemen kombiniert werden, z.B. mit einer in der Zeichnung dargestellton Windmühle.

Das Ausgleichsventil 28, das in Fig. 2 in Einzelhoitc-n dargestellt ist, enthalt ein zylindrisches Gehäuse 48, dessen gegonüberliogende Enden unmittelbar mit der P;iuf\rstoff- und der Wasserstoffkammer des Wasserstoffgenerators 16 über Röhren 50 und 5 2 in Verbindung stehen. Innerhalb des Gehäuses 48 ist ein Kolben 54 hin- und herbewegbar gelagert, dor an seinem rechten Ende durch eine Schraubenfader 56 unter Federvorspannung steht. Der Kolben 54 ist mit drei Dichtungsringen (O-Ringen) 58, 60 und 62 versehen. Das Gehäuse ist ferner mit einem zur Atmosphäre offenen Saui.-rstoffauslaß 64 versehen.

Wenn der Sauerstoffdruck an der linken Seite des Kolbons 54 aufgebaut wird, bewegt sich der Kolben nach rechts gegen den Druck der Feder 56 und gegen den kleineren W.assorstoffdruck bis der O-Ring 58 den Auslaß 64 passiert und den Sauerstoff in die A1 niosphäre entweichen laßt.

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Natürlich ist das Ausgleichsventil 28 entsprechend dem Schließdruck des Rückschlagventils 30 (Fig. 1) eingestellt.

Fig. 3 zeigt die Kollektortafel 2, die als flacher Kasten ausgebildet ist, deren Vorderwand aus Glas besteht und deren Rückwand mit Sonnenzellen 3 versehen ist. Die Vorderseiten hiervon sind schwarz oder dunkel wie die übrige hintere Fläche. Die Zellen 3 können hinter einer durchsichtigen Platte oder Folie angeordnet werden, wenn sie von dem Wasser in der Tafel 2 isoliert sein sollen.

Das Wasserstoffakkumulatorsystern nimmt somit Wasserstoff in der primären Einheit 32 unter Freigabe von Hitze auf, wobei das Wasser im Tank 14 zur Kühlung der Spule 34 verwendet wird. Wenn eine weitere Kühlung unmöglich ist (oder die Kühlung abgeschaltet ist) verläßt der überschüssige Wasserstoff den Akkumulator oben unter erhöhtem Druck und gelangt in den sekundären Akkumulator, der durch das Wasser vom Tank 14 wirksam gekühlt werden kann. Wenn der Wasserstoff benutzt werden soll, wird die Spule im Akkumulator 36 auf eine hohe Temperatur aufgeheizt indem zunächst Gas aus der Flasche 44 im Erhitzer 38 und anschließend der Wasserstoff selbst verbrannt wird, wobei ein Wärmeaustauscher 37 für die Spule innerhalb der Einheit 36 neben dem Brennstoffauslaß des Erhitzers 38 angeordnet ist. Dieser "Prozess ist mittels eines Drosselventils in der Verbindung zwischen der Spule und dem Wärmeaustauscher steuerbar.

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Leerseite

Claims

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER 3017300

Ernst Christian Pedersen

Lindy Malmborg Pedersen 259/121

Patentansprüche :

IJ Verfahren zur Ausnutzung von solarer Energie in einen

solaren Energie-Sammelsystem unter Verwendung einer Flüssigkeit als Energiesammei- und Transportmedium, dadurch gekennzeichnet , daß solare Wärmeenergie und solare fotoelektrische Energie durch eine geeignete Kollektoranordnung gesammelt
wird, daß erwärmte Flüssigkeit in einem Speichertank gespeichert wird, daß die elektrische Energie zur Speisung eines
Kasserstoffgenerators verwendet wird, daß der Wasserstoff in e'nem Wasserstoffakkumulator gesammelt wird, daß der Wasserstoff als Brennstoff in einem mit Wasserstoff befeuerten, an den Speichertank angeschlossenen Flüssigkeitserhitzer verwendet und die hierbei gespeicherte Energie ausgenutzt wird, wobei die Verfahrensschritte individuell in Abhängigkeit von den tatsächlichen Wetter- und Verbrauchsbedingungen gesteuert werden.
2. Solarenergiesystem zur Durchfürhung des Verfahrens
nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Solartafelmittel (2)
zum Sammeln von Wärme mittels einer Flüssigkeit und von Elektrizität mittels Solarzellen (3), einen Speichertank (14)
für erwärmte Flüssigkeit, einen von der solaren elektrischen

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Energie gespeisten Wasserstoffgenerator (16), einen Wasserstoff akkumulator (32) zur Speicherung des erzeugten Wasserstoffs, einen mit Wasserstoff befeuerten Flüssigkeitserhitzer (38), der Wasserstoff von dem Akkumulator (32) empfängt und erwärmte Flüssigkeit dem Speichertank (14) zuführt, und Steuermittel (12) zur Steuerung der Operationen des Systems.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Solartafelmittel (2) aus einem einheitlichen ebenen Tafelelement bestehen, das einen mit Flüssigkeit gefüllten Raum hinter einer durchsichtigen Vorderwand enthält, daß der Raum eine dunkle Rückseite besitzt, und daß zahlreiche Solarzellen (3) auf der Rückseite angebracht sind.
4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

der Wasserstoffgenerator (16) aus einer Wasserstoff-Zersetzungseinheit besteht, die von den Solarzellen (3) gespeist wird, und daß der von der Einheit erzeugte Sauerstoff durch ein Ausgleichsventil (28) an die Atmosphäre abgegeben wird, während der Wasserstoff durch den Druck im Wasserstoffgenerator (16) in den Wasserstoffakkumulator (32) gedrückt wird.
5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Solartafel (2) mit dem übrigen System über elektrisch leitende Flüssigkeitsrohre (4, 6) verbunden ist, die sowohl zur Übertragung der warmen Flüssigkeit als auch des Solarzellenstromes dienen.
6. System nach Anspruch 2, dafurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffakkumulator (32) aus einer zweistufigen Einheit besteht, wobei die erste Stufe durch eine Wärmeverbindung mit dem Speichertank (14) steuerbar ist und die zweite (Hochdruck-) Stufe durch das Wasser des Speichertanks (1.4)

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mittels eines Wärmeaustauschers (37) kühlbar und erwärmbar ist, der neben dem Brennstoffausgang des Wasserstoffbrenners angeordnet is.t.
7. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsventil (28) aus einem Zylinder mit einem darin angebrachten gleitbaren Kolben (54) besteht, der an seinen Enden mit den entsprechenden Wasserstoff- und Sauerstoffdrükken beaufschlagbar ist, und daß der Sauerstoff durch eine Auslaßöffnung (64) in der Zylinderwand entweichen kann, wenn der Sauerstoff den Kolben gegen eine Vorspannung in eine die Öffnung teilweise freigebende Lage bewegt wird.

-Beschreibung-

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