DE4306409A1

DE4306409A1 - Vorrichtung zur Gewinnung von Elektrizität und Wärme

Info

Publication number: DE4306409A1
Application number: DE4306409A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Knoedler; Joerg Dr Sopka; Andreas Dr Belzner; Hermann Walter Prof Gruenling
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1993-03-02
Filing date: 1993-03-02
Publication date: 1994-09-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gewin nung von Elektrizität und Wärme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Vorrichtung kommt dort zum Einsatz, wo Sonnen energie zum Heizen genutzt werden soll. Sonnenenergie wird in größerem Rahmen zum Heizen von Brauchwasser in privaten Haushalten und öffentlichen Einrichtung genutzt. Hierbei kommen Solarkollektoren, insbesondere nicht konzentrierende Systeme zum Einsatz. Zur Vermeidung der Konvektion- und Strahlungsverluste befinden sich die Sonnenkollektoren un ter transparenten Abdeckungen. Zusätzlich zu den Solarkol lektoren sind in die Heizungssysteme Vorrichtungen in tegriert, welche die Erdwärme nutzen. Für deren Betrieb wird höherwertige Energie in Form von Elektrizität benö tigt, die dem öffentlichen Netz entzogen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme und elektrischer Energie aufzuzei gen, die unabhängig von der öffentlichen Stromversorgung arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Zur Gewinnung der Sonnenwärme ist wenigstens ein Sonnenkol lektor vorgesehen, der zusammen mit einer photoelektroche mischen Zelle oder einer Solarzelle, welche Sonnenenergie unmittelbar in elektrische Energie umwandelt, zu einer Ein heit zusammengefaßt ist. Zur Gewinnung von Erdwärme ist eine Wärmepumpe vorgesehen. Die vom Sonnenkollektor und der Wärmepumpe bereitgestellte Wärme wird einem Wärmespeicher zugeführt. Die für den Betrieb der Wärmepumpe erforderliche elektrische Spannung wird von der photoelektrochemischen Zelle bzw. der Solarzelle geliefert. Diese versorgt zusätz lich eine Steuerungeinrichtung mit der erforderlichen elek trischen Spannung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermög licht die Gewinnung von Wärme und elektrischer Energie un abhängig vom öffentlichen Spannungsnetz. Weitere er findungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Die einzige zur Beschreibung ge hörende Figur zeigt eine Vorrichtung zur Gewinnung von Elektrizität und Wärme. Zu der Vorrichtung 1 gehören ein Sonnenkollektor 2, eine Solarzelle 3, eine Wärmepumpe 5, ein Wärmespeicher 6 sowie eine Steuerungseinrichtung 7. Der Sonnenkollektor 2 und die Solarzelle 3 sind zu einer Ein heit 4 zusammengefaßt. Der Sonnenkollektor 2 ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Er ist so ausgebildet, daß durch seinen Innenbereich ein Wärmetransportmittel (hier nicht dargestellt), vorzugsweise Wasser geleitet wer den kann. Hierfür ist der Sonnenkollektor mit einer Viel zahl von Rohrleitungen ausgerüstet, die parallel zueinander in einer Ebene liegend angeordnet sind. Das Wärmetransport mittel wird durch diese Rohrleitungen 2R hindurchgepumpt und durch die Sonnenstrahlung aufgeheizt, welche durch die transparente Oberfläche 2S des Sonnenkollektors fällt. Das von dem Sonnenkollektor 2 kommende Wärmetransportmittel (hier nicht dargestellt) wird einem Wärmetauscher 6T des Wärmespeicher 6 zugeführt. Das in dem Wärmespeicher 6 ent haltene Wasser (hier nicht dargestellt) wird mit der vom Wärmetauscher 6 abgegeben Wärme aufgeheizt. Herkömmliche Sonnenkollektoren 2 weisen zur Vermeidung von Konvektions- und Strahlungsverlusten transparente Abdeckungen auf. Diese Konvektions- und Strahlungsverluste werden bei der erfin dungsgemäßen Vorrichtung dadurch vermieden, daß die photo elektrochemische Zelle 3 bzw. die Solarzelle 3 auf der Oberfläche 2S des Sonnenkollektors 2 angeordnet ist. Die Abmessungen des Sonnenkollektors 2 und der photoelektro chemische Zelle 3 bzw. der Solarzelle 3 sind gleich groß. Die beiden Bauelemente 2 und 3 sind erfindungsgemäß zu ei ner Einheit 4 zusammengefaßt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine halbtransparente photoele ktrochemische Zelle 3 verwendet. Sie ist in der Lage, aus Sonnenenergie unmittelbar elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür ist sie mit einer ersten und einer zweiten elek trisch leitenden Schicht 3A, 3B ausgerüstet. Zwischen die sen Schichten 3 und 4 ist eine photoaktive Schicht 3P ange ordnet ist. Die elektrisch leitenden Schichten 3A und 3B sind aus einem transparenten elektrisch leitenden Oxid, vorzugsweise aus Zinnoxid, gefertigt. Die photoaktive Schicht 3P ist aus Titandioxid hergestellt, das eine sehr hohe Porosität aufweist. Es ist deshalb in der Lage, einen flüssigen Elektrolyten und einen Farbstoff aufzunehmen, dessen Elektronen durch Sonnenlicht angeregt werden können. Durch das Einstrahlen des Sonnenlichts kommt es zur Ausbil dung einer elektrischen Spannung zwischen den beiden elek trisch leitenden Schichten 3A und 3B. Diese elektrische Spannung wird für den Betrieb der Wärmepumpe 5 genutzt, mit deren Hilfe ebenfalls Wärme gewonnen und dem Wärmetauscher 6T des Wärmespeicher 6 zum Aufheizen von Brauchwasser zu geführt wird. Für die Steuerung der erfindungsgemäßen Vor richtung ist eine Steuereinrichtung 7 vorgesehen. Die Spannungsversorgung dieser Steuereinrichtung 7 erfolgt ebenfalls durch die photoelektrochemischen Zelle 3. Mit der Steuereinrichtung 7 kann die Wassertemperatur im Wärme speicher durch Zu- und Abschalten der Wärmepumpe 5 geregelt werden. Die Größe des Sonnenkollektors 2 und der photoelek trochemischen Zelle 3 richtet sich zum einen nach der zu beheizenden Menge an Brauchwasser und zum anderen nach der erforderlichen elektrischen Energie. Der zum Stand der Technik gehörende Sonnenkollektor 2 weist einen Wirkungs grad von:

η = Wärmeleistung/ (Bestrahlungsintensität × Kollektor fläche) auf, die hier beispielsweise 0,40 betragen soll. Durch die Anordnung der teiltransparenten photoelektroche mischen Zelle 3 auf der Oberfläche 2S des Sonnenkollektors 2 verringert sich die Bestrahlungsintensität am Sonnenkol lektor 3 auf 60%, so daß sich η_col auf 0,24 erniedrigt. Ausgehend von einem Wirkungsgrad η_sc = 0,15 der photoelek trochemischen Zelle 3 steht aber eine elektrische Leistung zur Verfügung, die direkt genutzt werden kann, oder die mit Hilfe der Wärmepumpe mit dem Faktor η_w = 3 in Wärmeleistung umgesetzt werden kann. Für den Gesamtwirkungsgrad der er findungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich somit:

η = η_col + η_w · η_sc = 0,24 +3·0,15 = 0,69.

Durch die Integration der photoelektrochemischen Zelle 3 ergibt sich also eine Erhöhung der Gesamteffizienz.

Claims

1. Vorrichtung zur Gewinnung von Elektrizität und Wär me, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (2) zur Gewinnung von Sonnenwärme mit einer Vorrichtung (3) zur Ge winnung von Elektrizität zu einer Einheit (4) zusammenge faßt ist, und daß einem Wärmespeicher (6) die gewonnene Sonnenwärme und die mit einer weiteren Vorrichtung (5) ge wonnene Umgebungswärme zuführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß eine Wärmepumpe (5) zur Gewinnung von Umgebungs wärme und wenigstens ein Sonnenkollektor (2) zur Gewinnung von Sonnenwärme vorgesehen ist, der mit einer photoelek trochemischen Zelle (3) oder einer Solarzelle (3) zur Ge winnung von elektrischer Energie zu einer Einheit (4) zusammengefaßt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die photoelektrochemische Zelle bzw. die Solarzelle (3) zur Reduzierung der Konvektions- und Strahlungsverluste auf der Oberfläche 2S des Sonnenkol lektors (2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (7) für die Steuerung der Wärmepumpe (5) vorgesehen ist, und daß die elektrische Versorgung der Steuereinrichtung (7) und der Wärmepumpe (5) durch die photoelektrochemische Zelle (3) bzw. die Solarzelle erfolgt.