DE4201996A1 - Kuehlgeraet mit einem solargenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlgerät mit einem Solargenera­ tor und einem für den Kühlbetrieb bei fehlender Sonne vorge­ sehenen Speicher, ferner mit einem Kühlaggregat und mit ei­ nem Kühlraum nach Art eines Schranks, einer Truhe, einer Box, eines Fachs oder dergleichen. Unter dem Begriff "Kühlgerät" werden im vorliegenden Zusammenhang auch Ge­ friergeräte verstanden. Der Begriff "Kühlraum" umfaßt den Kaltraum eines üblichen Kühlschranks und dessen Gefrierraum bzw. -fach.

Ein wichtiger Bereich, in dem heute bereits mit gutem Erfolg Sonnenenergie eingesetzt wird, ist die Kühlung von Medika­ menten in tropischen Ländern. Photovoltaisch betriebene Kühlaggregate sind dort, insbesondere in Außenstationen, z. B. in sogenannten Health Centers, im Einsatz, wo keine Elektrizitätsversorgung über ein öffentliches Netz oder Generatoren existiert und somit die solar erzeugte Elektri­ zität die einzige Versorgungsmöglichkeit ist.

Solare Kühlsysteme bestehen derzeit üblicherweise aus einem Solargenerator, in dem die Sonnenenergie in elektrischen Strom (Gleichstrom) umgewandelt wird; einer Batterie, in der die für den Betrieb in der Nacht und während sonnenloser Ta­ ge notwendige Energie gespeichert wird; einem Laderegler, der dafür sorgt, daß die Batterie schonend geladen wird und der sie vor Tiefentladung schützt; einem Kühlaggregat - in der Regel einer Kompressionskältemaschine - mit dem die Käl­ teleistung erzeugt wird; und aus dem eigentlichen Kühlmöbel, das typischerweise in ein Gefrierfach und ein Kaltfach auf­ geteilt wird. Eine Regelautomatik sorgt für möglichst kon­ stante Temperatur im vorgegebenen Bereich sowohl im Kaltfach als auch im Gefrierfach.

Typischerweise wird das Kühlgerät zur Lagerung von Medika­ menten, Impfstoffen und dergleichen im Kaltfach - hier müs­ sen Temperaturen zwischen 0 und +8° Celsius eingehalten wer­ den - sowie zum Einfrieren von sogenannten Icepacks benutzt. Letztere werden benötigt, um während einer Impfkampagne den Impfstoff in einer Kühltasche auf der notwendigen niedrigen Temperatur zu halten. Um Icepacks einfrieren zu können, ist es notwendig, im Gefrierfach Temperaturen zu erzeugen, die etwa 7 bis 8° Celsius unter dem Erstarrungspunkt des Wärme­ trägers liegen, mit dem die Icepacks gefüllt werden.

Durch die Konstruktion und Auslegung des Gesamtsystems muß sichergestellt werden, daß die gewünschten Temperaturen im Kaltfach und im Gefrierfach auch bei schwankender Außentem­ peratur im Tag- und Nachtzyklus und bei unterschiedlichem Angebot an Sonnenenergie (Tag/Nacht, bewölkte Tage, geringe Einstrahlung im Winter) sicher innerhalb der vorgegebenen Schwankungsbereiche gehalten werden können.

Die auf dem Markt verfügbaren Systeme sind in einigen Punk­ ten unbefriedigend:

• a) Zunächst muß der Solargenerator auf das Strahlungsangebot der sonnenärmsten Monate ausgelegt werden. Die in den strahlungsreicheren Monaten eingesammelte Energie kann nicht oder nur unvollständig genutzt werden. Der Solar­ generator muß also systematisch überdimensioniert werden.
• b) Für den Betrieb bei Nacht oder während sonnenloser Tage wird elektrische Energie in einem elektrischen Akkumula­ tor gesammelt. Die bei der Eingabe und Wiederausgabe elektrischer Energie am Akkumulator auftretenden Verluste sind erheblich. Das Verfahren ist also energetisch un­ wirtschaftlich.
• c) Elektrische Speicher nach Art von Batterien oder Akkumula­ toren entladen sich mit der Zeit von selbst. Die in den sonnenreichen Monaten überschüssige Energie kann also nicht nachhaltig für die sonnenärmeren Monate gespeichert werden.
• d) Verglichen mit den üblichen Lebensdauern der übrigen Sy­ stemkomponenten, die beim Kühlaggregat 10 Jahre, beim Kühlgerät selbst 15 Jahre und beim Generator 20 Jahre betragen kann, haben Batterien und Laderegler eine ver­ gleichsweise kurze Lebensdauer von 2 bis 4 Jahren bei ei­ ner Batterie und ca. 5 Jahren bei einem Laderegler.
• e) Durch den überdimensionierten Solargenerator, durch die vergleichsweise hohen Kosten für Elektrobatterie bzw. -akku und Regelsystem sowie durch die Notwendigkeit, den elektrischen Speicher häufig auszutauschen, werden die Gesamtkosten des Systems erheblich belastet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein photovolta­ isches Kühlsystem für ein Kühlgerät zu schaffen, das es ge­ stattet, vorgegebene Temperaturen im Kaltraum bzw. Gefrier­ raum einzuhalten, ohne daß ein Regelsystem erforderlich wä­ re, und das eine Speicherung der in sonnenreicheren Zeiten überschüssigen Energie ohne das regelmäßige Erfordernis ei­ ner elektrischen Batterie bzw. eines elektrischen Akkumula­ tors gestattet. Die erfindungsgemäße Lösung besteht für das eingangs beschriebene Kühlgerät mit einem für den Kühlbe­ trieb bei fehlender Sonne vorgesehenen Speicher darin, daß der Speicher als unmittelbar wärmeleitend an das Innere des Kühlraums gekoppelter thermischer Kältespeicher ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß werden also der elektrische Speicher und der ihm zugeordnete Regler durch einen thermischen Speicher, der ohne Regelaggregat funktioniert, ersetzt. In einem solchen System versorgt der Solargenerator in üblicher Weise ein Kühlaggregat. Dieses kühlt den oder die Innenräume des Kühlgeräts, wobei erfindungsgemäß die Energiemenge - in thermischer Form -, die nicht für die Kühlung des Kalt- oder Gefrierraums benötigt wird, selbsttätig an den thermischen Kältespeicher abgegeben wird bzw., wenn das Kühlgerät an den Speicher angeschlossen wird, dort verbleibt. Wird als Spei­ chermasse in dem Kältespeicher beispielsweise Wasser - oder ein anderes Material mit definiertem Schmelzpunkt - einge­ setzt, so wird bei Kühlung unter dem Gefrierpunkt zunächst bei konstanter Temperatur das gesamte Wasser gefroren. Die Innentemperatur bleibt also solange konstant, wie noch zwei Phasen im Kältespeicher vorhanden sind. Das Kühlaggregat braucht daher in dieser Zeit nicht geregelt zu werden. Lediglich, wenn das gesamte Speichermedium des Kältespei­ chers gefroren ist und die Temperatur durch weitere Energie­ zufuhr unter eine vorgegebene Temperaturgrenze fallen würde, empfiehlt es sich, den Stromkreis des Solargenerators über einen Grenzwertschalter kurzzuschließen.

Falls, z. B. während der Nacht oder während einiger sonnen­ loser Tage, keine weitere Solarenergie von außen zugeführt wird, schmilzt das Speichermedium und entzieht die hierzu benötigte Schmelzwärme dem Innenraum des Kühlgeräts, so daß dieses wiederum so lange mit guter Konstanz auf der Schmelz­ temperatur bleibt, bis das gesamte Speichermedium des Kälte­ speichers in den flüssigen Aggregatzustand übergegangen ist. Erst danach steigt die Temperatur in dem Maße an, die der Gesamtkapazität des Speichermediums Energie entzogen wird.

Als Speichermedium für den Kältespeicher werden gemäß weite­ rer Erfindung bevorzugt Materialien oder Mischungen von Ma­ terialien eingesetzt, die innerhalb des voreinzustellenden Temperaturbereichs einen Phasenübergang, vorzugsweise fest/ flüssig, besitzen. Besonders geeignet als Speichermaterial für den Kaltraum des Kühlgeräts haben sich Lithiumsalze er­ wiesen. Als Speichermaterial für den Gefrierraum des Kühlge­ räts werden vornehmlich solche Materialien verwendet, die einen Phasenübergang fest/flüssig im Bereich zwischen +1° Celsius und -20° Celsius aufweisen, geeignet sind hier ins­ besondere wäßrige Kochsalzlösungen im Konzentrationsbereich von 0 bis 25 Gewichtsprozent.

Durch das Ankoppeln des Kältespeichers an das Kühlgerät er­ geben sich gewisse zusätzliche thermische Verluste, diese Verluste können jedoch minimal gehalten werden, wenn die Speichermasse des Kältespeichers im Innern des Kühlgeräts angeordnet wird und die Gesamtvorrichtung so konstruiert wird, daß die Oberfläche der Vorrichtung gegenüber dem Fall ohne Kältespeicher möglichst wenig vergrößert wird. Bei Aus­ wahl passender Speichermaterialien und bei Konstruktion des Geräts im vorstehenden Sinne ist es möglich, Kälteenergie über einen Zeitraum von mehreren Monaten in dem thermischen Speicher zu bewahren.

In besonderen Fällen kann auch die Integration einer zusätz­ lichen Batterie für Notfälle sinnvoll sein. Eine solche elektrische Batterie würde zum Betrieb des Kühlaggregats zu­ geschaltet werden, wenn im Kühlraum die jeweils obere Grenz­ temperatur erreicht wird. Gemäß weiterer Erfindung wird die elektrische Batterie derart in oder an dem Kältespeicher an­ geordnet, daß ihre, durch ihre Konstruktion bedingte, gesam­ te Masse als thermisches Speichermedium wirkt. Eine Nickel- /Kadmium-Batterie kann problemlos auf oder unter der jeweils im Innenfach des Kühlraums gewünschten Temperatur betrieben werden.

Anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels werden Einzelheiten der Erfindung erläutert.

Die Zeichnung zeigt symbolisiert ein Kühlgerät 1, mit einem Kühlraum 2, der im Ausführungsbeispiel an drei Seiten von einem Kältespeicher 3 umgeben ist. An den Kältespeicher 3 ist außen die Kaltseite 4 eines Kühlaggregats 5 angekoppelt. Die vom Kühlaggregat 5 erzeugte Kälte wandert in Pfeilrich­ tung 6 in den Kältespeicher 3 und von dort aus in Pfeilrich­ tung 7 in den Kühlraum 2. - Im Ausführungsbeispiel ist der Kühlraum 2 der Einfachheit halber einteilig und nicht unter­ teilt in ein Kalt- und ein Gefrierfach dargestellt.

Zur Energieversorgung des Kühlaggregats ist ein Solargenera­ tor 8 vorgesehen, der einen Motor 9, z. B. über einen span­ nungsabhängigen Schalter bzw. Grenzwertschalter 10 und mit Hilfe des Motors 9 die Kältemaschine des Kühlaggregats 5 an­ treiben soll.

In dem Kältespeicher 3 wird ein Fühler 11 angeordnet, der bei Unterschreiten einer bestimmten Innentemperatur den Stromkreis des Solargenerators 8 mit Hilfe des Grenzwert­ schalters 10 kurzschließt.

In den Kältespeicher 3 kann eine elektrische Batterie 12 als zusätzliches Speichermedium integriert werden. Die elek­ trische Batterie wird dann ebenfalls - über Leitungen 13 von dem Solargenerator 8 - aufgeladen. Auch der Batterie kann eine Überlastsicherung 14 zugeordnet werden. Wenn der Solar­ generator 8 keine Energie oder zu wenig Energie liefert, kann der Motor 9 und damit das Kühlaggregat 5 aus der Batterie 12 mit Energie versorgt werden.

Bezugszeichenliste

 1 Kühlgerät
 2 Kühlraum
 3 Kältespeicher
 4 Kaltseite (5)
 5 Kühlaggregat
 6 Pfeil
 7 Pfeil
 8 Solargenerator
 9 Motor
10 Grenzwertschalter
11 Temperaturfühler
12 Batterie
13 Leitungen
14 Überlastsicherung

Claims (8)

1. Kühlgerät mit einem Solargenerator und einem für den Kühlbetrieb bei fehlender Sonne vorgesehenen Speicher, ferner mit einem Kühlaggregat und mit einem Kühlraum nach Art eines Schranks, einer Truhe, einer Box, eines Fachs oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher als unmittelbar wärmeleitend an das Innere des Kühlraums gekoppelter thermischer Kältespeicher ausge­ bildet ist.

2. Kühlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltseite des Kühlaggregats unmittelbar an den Käl­ tespeicher angeschlossen ist.

3. Kühlgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium in dem Kältespeicher ein Material mit Phasenübergang bei einer vorgegebenen, im Kühlraum einzuhal­ tenden Kühltemperatur vorgesehen ist.

4. Kühlgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium aus zwei oder mehr Materialien zum Einstellen der vorgegebenen Kühltemperatur zusammengesetzt ist.

5. Kühlgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Solargenerator (8) ein Grenzwertschalter (10) zum Kurzschließen des Stromkreises des Solargenerators zugeord­ net ist und daß der Grenzwertschalter (10) mit einem die Temperatur des Kältespeichers (3) erfassenden Fühler (11) gekoppelt ist.

6. Kühlgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kältespeicher (3) eine elektrische Batterie, ins­ besondere eine Ni/Cd-Batterie (12), als zusätzlicher Kälte­ speicher integriert ist und daß die Batterie (12) parallel zum Kühlaggregat (5) auf den Solargenerator (8) geschaltet ist.

7. Kühlgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermaterial für einen Kaltraum des Kühlgeräts ein Lithiumsalz vorgesehen ist.

8. Kühlgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermaterial für einen Gefrierraum des Kühlge­ räts eine wäßrige Kochsalzlösung im Konzentrationsbereich von 0 bis 35 Gewichtsprozent vorgesehen ist.