WO2009080305A2 - Verfahren und einrichtung zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

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WO2009080305A2 PCT/EP2008/010910 EP2008010910W WO2009080305A2 WO 2009080305 A2 WO2009080305 A2 WO 2009080305A2 EP 2008010910 W EP2008010910 W EP 2008010910W WO 2009080305 A2 WO2009080305 A2 WO 2009080305A2
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Franz Wimmer
Hermann Helmbold
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Conpower Energieanlagen Gmbh & Co Kg
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating electrical energy, according to the preamble of claims 1 and 7.
  • the photovoltaic elements themselves are made of either monocrystalline, polycrystalline or amorphous silicon.
  • the active layers are thin because the conversion of light energy to electrical energy is a more near-surface physical effect. Nevertheless, it is subdivided into so-called thick-film technology and thin-film technology.
  • the invention is therefore based on the object
  • Core of the invention is that on the side facing away from the irradiation side is provided by a medium in the flow cooled area, whose
  • Waste heat with an evaporator of a low-temperature ORC plant corresponds, in which the waste heat generated during cooling is transported away from the photovoltaic elements.
  • an effective self-motor cooling of the solar system is given, without the need for separate energy would be spent.
  • the photovoltai elements have to be cooled because they work optimally only up to certain temperatures. This is due to the physical nature of the semiconductor material of which they are made.
  • the photovoltaic elements consist mostly of thin semiconductor layer systems. In particular, when using the thin-film technology, only a portion of the incident sunlight is converted directly into electrical energy. The largest part is transmitted.
  • Evaporator supplied to an ORC system which is generated to produce a low-temperature evaporation of a suitable ORC medium pressure, which is additionally nachverströmt in a turbine-generator arrangement.
  • a combined ORC and photovoltaic system can be designed and operated, which converts the incident light into electrical energy with a significantly increased efficiency.
  • the enthalpy of evaporation is used to cool the photovoltaic elements. This dual benefit is also of considerable importance because it not least increases the life and the effectiveness of the photovoltaic elements.
  • the cooling takes place by means of a pipe system through which coolant flows, via which this transported waste heat is supplied to the ORC system via a heat exchanger arranged in the evaporator. This creates a low-loss effective transmission path of usable heat.
  • the coolant is the evaporator medium of the ORC system itself, and that said evaporator medium directly absorbs the heat transmitted through the solar cells by the cooling system is also the evaporator of the medium of the ORC system.
  • evaporator media are liquids, especially organic type in use, which already evaporate at temperatures well below 100 0 C and produce a considerable, then usable in the turbine vapor pressure. In this way, an effective low-temperature power generation can take place.
  • ORC system each having an electrical output, and that the electrical outputs are fed to a common electrical output, which provides regulated electrical energy into the power grid.
  • a combination of this method is carried out with a biogas plant in such a way that by means of solar power and cooling heat power generation, the biogas generating plant energetically to operate the Biogas production processes is completely supplied, and the excess of electrical energy is fed into the public grid.
  • a further device for carrying out the method is that on the side facing away from the irradiation side of an ORC medium cooled area is provided, which consists of a plurality of tubes filled with the ORC medium, with each other and with the photovoltaic cells with Heat conduction are thermally conductively connected, and are connected on one side with a capacitor block. On these a “self-engine cooling” is set in motion, so that it does not need to be spent additional energy.
  • the capacitor block consists of a highly thermally conductive material, and each of the tubes there opens gas-tight in a arranged inside the capacitor block own capacitor volume.
  • the material may preferably be copper or aluminum.
  • the majority of the tubes are arranged in parallel.
  • the individual tubes are arranged in parallel, and are screwed to a common side in the condenser block, for example, and there open each tube in a respective own capacitor volume.
  • Capacitor volumes of the tubes are arranged in the common capacitor block.
  • the capacitor block is connected or provided with cooling fins. So the condensation and the back flow or down flow of the medium in the respective tube causes.
  • the cooling takes place by means of a flushed by coolant pipe system, which is disposed on the side facing away from said irradiation side of the solar cell, via which these transported waste heat can be fed to an arranged in an evaporator heat exchanger of the ORC system. In this way, cooling and absorption of the usable heat is carried out simultaneously.
  • the coolant is the evaporator medium of the ORC system itself, and that said evaporator medium directly absorbs the heat transmitted through the photovoltaic elements by the cooling system is also the evaporator of the medium of the ORC system. This eliminates losses due to the lack of additional heat exchangers. Furthermore, it is possible that the component behind the photovoltaic elements not only absorbs the heat but at the same time is already the evaporator of the ORC system itself.
  • both the solar cells and the ORC system each have an electrical output, and that the electrical outputs are connected to a common electrical output, via which regulated electrical energy is available in the power grid. In this way, the electrical energies generated in different ways are common at one output.
  • a device of this type is structurally and energetically combined with a biogas plant in such a way that by means of the solar power and cooling heat power generation
  • Biogas generating plant is energetically fully powered to operate the biogas production processes, and the surplus, is fed into the public electricity grid of electrical energy. In this way, several alternative, but above all renewable
  • the block consists of good heat-conductive metal, in particular copper or aluminum.
  • the arrangement of solar cell arrangement and block is provided with an intermediate heat-conducting foil.
  • a structurally and energetically efficient design is that the pipes are arranged in parallel in the metal block and are connected at the ends in each case with pressure-resistant connections or fittings to the adjacent pipe, the compounds or the screw can be screwed directly into the metal block. Due to the massive design of the pipe guide in a solid block shows that in the same threaded elements with a high mechanical, but also pressure-tight strength can be introduced. By bent Verschraubungs- and pipe elements, the parallel pipe sections can be connected together so that it results in a quasi-folded total tube length, with which even with appropriate
  • the heat-conducting foil is colored black in order to achieve maximum thermal absorption.
  • Condenser heat exchanger of the ORC system as a direct heating of room air and / or for hot water heating piping be interconnected. That is, when used in a residential building, the condensation cooling resp - Heat in addition to electrical energy still direct heating energy.
  • the return pump is arranged as a suction pump for the pressure-moderately expanded medium directly or near the entrance of the block.
  • the passage through the piping block is thus integrated preheating and subsequent evaporation in one.
  • Figure 1 Schematic representation of the invention
  • Figure 2 embodiment with integrated cooler / evaporator
  • Figure 3 embodiment of the combined cooler / evaporator.
  • Figure 4 embodiment with quasi self-engine cooling.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention with reference to a schematic diagram.
  • Sunlight is incident on the surface of the planar arrangement of photovoltaic elements 1.
  • electrical energy is obtained from this, which is supplied to a DC input 20.
  • the photovoltaic elements 1 due to their thin design allow heat radiation and in addition a heating of the photovoltaic elements 1 is effected, is in accordance with the invention of the irradiation side opposite side created a heat transfer to a heat exchanger 21 in the evaporator 26 of an ORC system (low temperature Organic -Rankine cycle), which evaporates the medium of the ORC system with this accumulating heat.
  • ORC system low temperature Organic -Rankine cycle
  • the heat dissipated in this way firstly has the task of cooling the photovoltaic elements and, at the same time, of dissipating the accumulated heat, ie of obtaining additional electrical energy from them.
  • the vaporized medium drives a turbine 22, which is connected to a generator 23, such that it converts the kinetic energy into electrical energy and at the output 27 is available. Subsequent to the turbine, the expanded medium in the condenser 24 is condensed again and recycled via a pump 25 into the evaporator 26.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention in which the evaporator of the ORC system is combined with the cooling of the arrangement of photovoltaic elements 1.
  • the evaporator is omitted in the original design.
  • a block 2 of good thermally conductive material such as copper or aluminum is arranged, which absorbs the irradiated energy, as well as the heat resulting from absorption in the elements 1 equally from the block 2.
  • tubes 2 are integrated. These already contain the evaporation medium of the ORC system.
  • the heat generated there is immediately transferred to the medium, which then evaporates at sufficiently high temperature, and directly drives the turbine 22 arranged below and then via the generator 23 electrical energy wins, the controlled output 30 for electrical energy, parallel to in provides the photovoltaic elements 1 directly generated electrical energy.
  • the medium is not supplied to a condenser, but one of the residual heat-emitting heater 28 or radiators, etc.
  • This device is therefore particularly suitable for residential buildings.
  • the return of the medium, from the condenser or the residual heat emitting and thus the medium condensing radiator 28 is ensured by the pump 25, so that the medium for re-evaporation back to the block 2 and the local pipes 3 is returned.
  • Figure 3 shows some execution details.
  • the composite arrangement of photovoltaic elements 1 and the heat block 2 is shown. Here you look as a viewer in the tubes 3.
  • a transparent (or at least transparent in the infrared range) heat transfer-improving or heat-conducting layer or film 5 can be interposed between the two.
  • the block 2 includes the tubes 3 in which the
  • Evaporator medium of the ORC system flows.
  • the block 2 is provided on the other outer surfaces with a thermal insulation 4, which largely prevents heat loss from the block 2 to the outside, so that all accumulated heat to
  • FIG. 3 shows a top view similar representation in which only the wiring of the tubes 3 is shown.
  • the parallel tubes are each closed at the ends with bent tube connectors 10, so that all the tubes are conclusively connected together to form a kind of folded Bacrohtechnisch.
  • the pipe connections 10 are introduced pressure-resistant, so that the evaporator medium is sealed therein and flows only in the closed ORC cycle.
  • the pipe connections 10 are thereby introduced by means of, for example, dense Verschaubept in the massive block 2 that results in an inlet 11 for the inlet or the return of the medium, and an outlet 12 of the vaporized medium to the turbine.
  • the solar collector formed as block 2 which is arranged behind the photovoltaic elements 1 and absorbs the heat of transmission of the same, can also be welded as a tubular one Can be formed sheet metal arrangement in which only a large effetf lostene chamber or a plurality of chambers through which are arranged.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the invention, in which a self-motor cooling of the photovoltaic elements 1 is realized.
  • a plurality of non-fluidically connected pipes 3 are arranged in parallel and connected to one another via a heat conduction plate 32.
  • the heat conduction plate 32 in turn is thermally conductive connected to the back of the photovoltaic elements.
  • the tubes open on one side into a common capacitor block 29.
  • 3 separate condensation volume 30 are implemented for each individual tube.
  • the condenser block may be provided with cooling fins not shown. In the lower part of the picture is shown only in side view, that the arrangement is, for example, inclined on a roof surface. This now causes the following.
  • the ORC medium vaporizes by absorbing the transmitted heat of the photovoltai elements. And goes up in the pipes and takes this heat with you. At the top, it condenses in the condenser, which cools the medium, causing the medium to fall liquidly down again, and the process to take place again.
  • the resulting cooling is self-engineered and very effective. There is no need to operate an electric pump. It is only necessary to set a corresponding pressure matched with the ORC medium, so that this process also takes place cyclically in the desired temperature range.
  • photovoltaic elements 2 block (solar collector for heat)

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6. Um hierbei zu erreichen, dass der Wirkungsgrad photovoltai scher Solarenergieanlagen, bzw der Wirkungsgrad hinsichtlich der erzeugten elektrischen Energie deutlich gesteigert und dennoch das Abwärmeproblem gelöst wird, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass auf der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein von einem Medium im Durchfluss gekühlten Bereich vorgesehen ist, dessen Abwärme mit einem Verdampfer einer Niedertemperatur ORC-Anlage korrespondiert, in welcher die bei der Kühlung entstehende Abwärme in einer Turbine-Generatoreinheit nachverstromt wird.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.
Es sind Einrichtungen und Verfahren bekannt, bei welchen mittels Sonnenkollektoren, wie sie zur Aufheizung von Wärmwasserspeichern zum Heizen oder zur Heisswassererzeugung für den Wohnhausbereich genutzt werden. Darüber hinaus ist es aus der US 2006/0266039 Al bekannt, die so aufgenommene Wärme solcher Sonnenkollektoren über Wärmetauscher in Rankine -Zyklen einzuspeisen und damit ein bei niedriger Temperatur verdampfendes Medium zu erhitzen und damit eine Turbine und einen Generator zu betreiben. Dieses an sich schon vorteilhafte Verfahren sieht jedoch eine Reihe von Wäremtauschern vor. Diese erzeugen Verluste von Energie, so dass der Wirkungsgrad dieser beschriebenen Anlage nur relativ klein ist.
Ferner gibt es photovoltaische Anlagen zur direkten Erzeugung elektrischer Energie. Diese sind nicht nur im Zuge der aktuellen Klimadiskussion populär, sondern auch im Hinblick auf die immer kürzer werdenden Amortisierungszeiten vor dem Hintergrund drastisch steigender Energiekosten. Anlagen dieser Art findet man daher nicht nur im gewerblichen Nutzungsbereich, sondern bei weitem schon im privaten Energiebereich von Wohnhäusern .
Die photovoltai sehen Elemente selbst sind entweder aus monokristallinem, polykristallinem oder amorphen Silizium gefertigt. Die aktiven Schichten sind dünn, weil die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie ein mehr oberflächennaher physikalischer Effekt ist. Dennoch wird unterteilt in die sogenannte Dickschichttechnologie und die Dünnschichttechnologie.
Daraus ergeben sich weiterhin sogenannte eher transmissionsbezogenen Typen, oder eher reflexionsbezogene Typen.
Ferner ist bekannt, dass bei der direkten Sonnenlichtaussetzung der photovoltaischen Elemente diese sich stark erhitzen. Hohe Wärme ist kontraproduktiv für den Umwandlungsprozess in elektrische Energie. Transmissionsbezogene und reflexionsbezogene Typen weisen auch hierbei unterschiedliche Quereffekte auf, im Hinblick auf die in den photovoltaischen Elementen bei direkter Sonnenstrahlung erreichten Temperaturen. So gibt es Typen von photovoltaischen Elementen, die gekühlt werden müssen, wobei ein Teil der erzeugten Energie dadurch wieder aufgezehrt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Wirkungsgrad photovoltaischer Solarenergieanlagen, bzw der Wirkungsgrad hinsichtlich der erzeugten elektrischen Energie deutlich gesteigert und dennoch das Abwärmeproblem gelöst wird.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2- 6 angegeben.
Hinsichtlich einer Einrichtung ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 7 und 8 gelöst .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kern der Erfindung ist, dass auf der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein von einem Medium im Durchfluss gekühlten Bereich vorgesehen ist, dessen
Abwärme mit einem Verdampfer einer Niedertemperatur ORC- Anlage korrespondiert, in welcher die bei der Kühlung entstehende Abwärme von den photovoltaischen Elementen weg transportiert wird. So ist eine effektive selbstmotorische Kühlung der Solaranlage gegeben, ohne dass dafür gesondert Energie aufgewendet werden müsste.
Weiterhin ist im Besonderen ausgestaltet, dass auf der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein von einem Medium im Durchfluss gekühlten Bereich vorgesehen ist, dessen Abwärme mit einem Verdampfer einer Niedertemperatur ORC-Anlage korrespondiert, in welcher die bei der Kühlung entstehende Abwärme in einer Turbine - Generatoreinheit nachverstromt wird. Auf diese Weise kommt es zu einer Kummulation von funktionalen Vorteilen. Die photovoltai sehen Elemente müssen einerseits gekühlt werden, weil Sie nur bis zu bestimmten Temperaturen optimal arbeiten. Dies liegt in der physikalischen Natur des Halbleitermaterials aus dem sie bestehen. Andererseits bestehen die photovoltaischen Elemente zu allermeist aus dünnen HalbleiterschichtSystemen. Insbesondere beim Einsatz der Dünnschichtechnik wird nur ein Teil des auftreffenden Sonnenlichtes direkt in elektrische Energie umgewandelt. Der größte Teil transmittiert . Die genannten Nachteile bezüglich des
Betriebes von photovoltaischen Elemente wird durch die Erfindung nicht nur beseitigt, sondern man kann sagen, dass die Erfindung sich diese Nachteile quasi symbiotisch zu Nutze macht und in erhebliche Vorteile umkehrt. Das transmittierte Licht trägt noch erhebliche Anteile insbesondere» anm infraroten Anteilen des
Sonnenlichtspektrums mit sich. Dies kann genutzt werden, indem erfindungsgemäß hinter der photovoltaischen Zellenanordnung sowohl die transmittierte Wärme, als auch die in den Zellen generierte Wärme direkt einem
Verdampfer einer ORC-Anlage zugeführt, welche unter Erzeugung einer Niedertemperatur Verdampfung eines geeigneten ORC-Mediums Druck erzeugt wird, der in einer Turbine -Generator-Anordnung zusätzlich nachverströmt wird. Mit diesem auf Transmission von Wärmestrahlung beruhenden Effekt lässt sich eine kombinierte ORC- und Photovoltaik-Anlage gestalten und betreiben, die das einfallende Licht mit einem erheblich gesteigerten Wirkungsgrad in elektrische Energie umwandelt. Gleichzeitig wird die Verdampfungsenthalpie zur Kühlung der photovoltaischen Elemente genutzt. Dieser Doppelnutzen ist ebenso von erheblicher Bedeutung, weil es nicht zuletzt die Lebensdauer und die Effektivität der photovoltaischen Elemente erhöht. In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Kühlung mittels eines von Kühlmittel durchspülten Rohrsystems erfolgt, über welches diese transportierte Abwärme über einen im Verdampfer angeordneten Wärmetauscher der ORC-Anlage zugeführt wird. So entsteht ein verlustarmer effektiver Übertragungsweg der nutzbaren Wärme .
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass das Kühlmittel das Verdampfermedium der ORC-Anlage selbst ist, und dass das besagte Verdampfermedium direkt die durch die Solarzellen transmittierte Wärme aufnimmt, indem das Kühlsystem zugleich der Verdampfer des Mediums der ORC-Anlage ist. Auf diese Weise ist ein ansonsten notwendiger weiterer Wärmetauscher vermieden, so dass die Wärmeverluste auch minimiert sind. Als Verdampfermedien sind hierbei Flüssigkeiten, insbesondere organischer Art im Einsatz, die bei Temperaturen deutlich unter 1000C bereits verdampfen und einen erheblichen, dann in der Turbine nutzbaren Dampfdruck erzeugen. Auf diese Weise kann eine effektive Niedertemperatur-Verstromung erfolgen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass sowohl die photovoltaischen Elemente als auch die
ORC-Anlage jeweils einen elektrischen Ausgang aufweisen, und dass die elektrischen Ausgänge zu einem gemeinsamen elektrischen Ausgang geführt werden, welcher geregelt elektrische Energie ins Stromnetz liefert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass eine Kombination dieses Verfahrens mit einer Biogasanlage in der Weise erfolgt, dass mittels der Solarstrom- und Kühlwärmestromerzeugung die Biogaserzeugungsanlage energetisch zum Betreiben der Biogaserzeugungsprozesse komplett versorgbar ist, und der Überschuß an elektrischer Energie ins öffentliche Stromnetz gespeist wird.
Hinsichtlich der Einrichtung besteht der Kern der
Erfindung darin, dass auf der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein von einem Medium im Durchfluss gekühlten Bereich vorgesehen ist, dessen Abwärme mit einem Verdampfer einer Niedertemperatur ORC-Anlage derart korrespondiert, dass die bei der Kühlung der photovoltaischen Elemente entstehende Abwärme einer Turbine-Generatoreinheit zuführbar und nachverstrombar ist.
Eine weitere einrichtungsgemäße Lösung zur Durchführung des Verfahrens ist, dass auf der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein von einem ORC-Medium gekühlten Bereich vorgesehen ist, der aus einer Mehrzahl von mit dem ORC-Medium gefüllten Rohren besteht, die untereinander und mit den photovoltaischen Zellen mit Wärmeleitmitteln wärmeleitend verbunden sind, und an einer Seite mit einem Kondensatorblock verbunden sind. Auf diese wird eine „selbstmotorische Kühlung" in Gang gebracht, so dass hierfür nicht zusätzlich Energie aufgewendet werden muss .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Kondensatorblock aus einem stark wärmeleitenden Material besteht, und jedes der Rohre dort gasdicht in ein innerhalb des Kondensatorblocks angeordnetes eigenes Kondensatorvolumen einmündet. Das Material kann dabei vorzugsweise Kupfer oder Aluminium sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Mehrzahl der Rohre parallel angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine einfache bauliche Anordnung gegeben, bei der die einzelnen Rohre parallel angeordnet, und an einer gemeinsamen Seite in den Kondensatorblock bspw eingeschraubt sind, und dort jedes Rohr in einem jeweils eigenen Kondensatorvolumen einmünden. Sämtliche
Kondensatorvolumen der Rohre sind in dem gemeinsamen Kondensatorblock angeordnet .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Kondensatorblock mit Kühlrippen verbunden oder versehen ist. So wird die Kondensation und das wieder zurückfließen bzw nach unten fließen des Mediums im jeweiligen Rohr bewirkt.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kühlung mittels eines von Kühlmittel durchspülten Rohrsystems erfolgt, welches an der der besagten Bestrahlungseite der Solarzellen abgewandte Seite angeordnet ist, über welches diese transportierte Abwärme einem in einem Verdampfer angeordneten Wärmetauscher der ORC-Anlage zuführbar ist. Auf diese Weise wird Kühlung und Aufnahme der verwertbaren Wärme gleichzeitig vorgenommen .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Kühlmittel das Verdampfermedium der ORC-Anlage selbst ist, und dass das besagte Verdampfermedium direkt die durch die photovoltaischen Elemente transmittierte Wärme aufnimmt, indem das Kühlsystem zugleich der Verdampfer des Mediums der ORC-Anlage ist. Damit werden Verluste durch das Fehlen zusätzlicher Wärmetauscher ausgeschlossen. Ferner wird ermöglicht, dass das Bauteil hinter den photovoltaischen Elemente nicht nur die Wärme aufnimmt sondern auch zugleich schon der Verdampfer der ORC-Anlage selbst ist. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass sowohl die Solarzellen als auch die ORC-Anlage jeweils einen elektrischen Ausgang aufweisen, und dass die elektrischen Ausgänge zu einem gemeinsamen elektrischen Ausgang verschaltet sind, über welchen geregelt elektrische Energie ins Stromnetz lieferbar ist. Auf diese Weise liegen die auf unterschiedlichen Weisen erzeugten elektrischen Energien an einem Ausgang gemeinsam vor.
Ferner ist vorteilhaft ausgestaltet, dass eine Einrichtung dieser Art mit einer Biogasanlage baulich und energetisch so kombiniert ist, dass mittels der Solarstrom- und Kühlwärmestromerzeugung die
Biogaserzeugungsanlage energetisch zum Betreiben der Biogaserzeugungsprozesse komplett versorgbar ist, und der Überschuß, an elektrischer Energie ins öffentliche Stromnetz gespeist wird. Auf diese Weise lassen sich mehrere alternative, vor allem aber regenerative
Energieerzeugungsarten auf geeignte Weise miteinander kombinieren, woraus ein erheblich hoher Gesamtwirkungsgrad einer solchen Anlage resultiert.
In baulicher Weise ist ausgestaltet, dass das Rohrsystem der ORC-Anlage und die Anordnung photovoltai scher Elemente in einer Sandwichbauweise gestaltet sind, bei welcher die Rohrleitungen in einem Block integriert sind, auf welchem die Anordnung photovoltaischen Elemente angeordnet sind. Dies ist eine enorm kompakte, aber durch die Kompaktheit auch eine energieverlustarme Anordnung.
Konsequenterweise besteht, der Block aus gut wärmeleitfähigem Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium. Zur weiteren Optimierung des Wärmeüberganges ist angegeben, dass die Anordnung aus Solarzellenanordnung und Block mit einer dazwischenliegenden Wärmeleitfolie versehen ist.
Eine baulich und energetisch zugleich effiziente Bauform ist, dass die Rohrleitungen im Metallblock parallel angeordnet sind und an den Enden jeweils mit druckfesten Verbindungen oder Verschraubungen zum danebenliegenden Rohr verbunden sind, wobei die Verbindungen bzw die Verschraubungen direkt in den Metallblock eingeschraubbar sind. Durch die massive Bauform der Rohrleitungsführung in einem , massiven Block ergibt sich, dass in denselben Gewindeelemente mit einer hohen mechanischen, aber auch druckdichten Festigkeit eingebracht werden können. Durch gebogene Verschraubungs- und Rohrelemente, lassen sich die parallelen Rohrabschnitte so miteinander verbinden, dass sich daraus eine quasi gefaltete Gesamtröhrlänge ergibt, mit welcher auch bei entsprechendem
Durchfluss, sich ein stetig steigender Temperaturgradient zum Ausgang hin ergibt, so dass dort die notwendigen Dampfdrücke zum Betreiben der Turbine der ORC-Anlage vorliegen.
Vorteilhafterweise ist die Wärmeleitfolie schwarz eingefärbt, um maximale thermische Absorption zu erreichen.
In besonderer Ausgestaltung kann zusätzlich zur Erzeugung elektrischer Energie der Kondensator bzw
Kondensatorwärmetauscher der ORC-Anlage als Direktheizung von Raumluft und/oder zur Warmwasserbeheizung rohrleitungsmäßig verschaltet sein. D.h. beim Einsatz in einem Wohnhaus liefert die Kondensationskühlung bzw - abwärme zusätzlich zur elektrischen Energie noch direkte Heizenergie.
In weiterer Ausgestaltung ist angegeben, dass die Rückführpumpe als Saugpumpe für das druckmäßig entspannte Medium direkt oder nahe am Eingang des Blocks angeordnet ist. Der Durchlauf durch den Rohrleitungsblock ist somit integrierte Vorwärmung und anschließende Verdampfung in einem.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert .
Es zeigt:
Figur 1: Prinzipdarstellung der Erfindung Figur 2 : Ausführungsform mit integriertem Kühler/Verdampfer
Figur 3 : Ausführungsform des kombinierten Kühler/Verdampfers .
Figur 4: Ausführungsform mit quasi selbstmotorischer Kühlung .
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung anhand einer Prinzipdarstellung. Auf die Oberfläche der flächigen Anordnung von photovoltaischen Elementen 1 fällt Sonnenlicht. Innerhalb der photovoltaischen Elemente 1 wird daraus elektrische Energie gewonnen, die einem Gleichstromeingang 20 zugeführt wird. Da die photovoltaischen Elemente 1 aufgrund ihrer dünnen Ausführung Wärmestrahlung durchlassen und außerdem eine Aufheizung der photovoltaischen Elemente 1 bewirkt wird, ist in erfindungsgemäßer Weise an der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein Wärmeübergang zu einem Wärmetauscher 21 im Verdampfer 26 einer ORC-Anlage (niedertemperatur Organic -Rankine -Cycle) geschaffen, der mit dieser anfallenden Wärme das Medium der ORC-Anlage verdampft .
Die so abgeleitete Wärme hat zum einen die Aufgabe die photovoltaischen Elemente zu kühlen und zugleich die anfallende Wärme zusätzlich zu verströmen, also zusätzliche elektrische Energie daraus zu gewinnen.
In ORC-Anlagen erfolgt die Verdampfung eines Mediums in einem geschlossenen Kreislauf, welches bei deutlich unterhalb von 1000C bereits verdampft. So kann aus Niedertemperatur-Wärme elektrische Energie gewonnen werden.
Das verdampfte Medium treibt eine Turbine 22 an, welche mit einem Generator 23 verbunden ist, derart, dass dieser die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt und am Ausgang 27 zur Verfügung stellt. Im Nachgang zur Turbine wird das entspannte Medium im Kondensator 24 wieder kondensiert und über eine Pumpe 25 wieder in den Verdampfer 26 rezykliziert .
Beide Anteil elektrischer Energie, also der Teil, welcher direkt aus den photovoltaischen Elementen gewonnen wird, sowie der über die anfallende Wärme nachverstromte Teil werden an einem gesteuerten Ausgang 30 für elektrische Energie bereitgestelllt , und dort bspw mit konstant geregelter AusgangsSpannung bereitsgestellt.
Figur 2 zeit eine Ausführungsform der Erfindung bei welcher der Verdampfer der ORC-Anlage mit der Kühlung der Anordnung photovoltai scher Elemente 1 kombiniert wird. Dabei enfällt der Verdampfer in der ursprünglichen Bauweise. An der der Bestrahlungsseite der photovoltaischen Elemente 1 abgewandten Seite ist daher ein Block 2 aus gut wärmeleitfähigem Material wie Kupfer oder Aluminium angeordnet, der die durchstrahlte Energie, sowie die durch Absorption in den Elementen 1 entstehende Wärme gleichermaßen von dem Block 2 aufgenommen. Innerhalb des Blocks 2 sind Rohre 2 integriert . Diese beeinhalten bereits das Verdampfungsmedium der ORC- Anlage. D.h. die anfallende Wärme wird dort sofort auf das Medium übertragen, welches bei genügend hoher Temperatur dann verdampft, und direkt die nachfolgend angeordnete Turbine 22 antreibt und über den Generator 23 dann elektrische Energie gewinnt, die dem gesteuerten Ausgang 30 für elektrische Energie, parallel zur in den photovoltaischen Elementen 1 direkt erzeugten elektrischen Energie bereitstellt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine weitere Option dargestellt. Im Nachgang zur Turbine 22 wird das Medium nicht einem Kondensator zugeführt, sondern einer die Restwärme abgebende Heizung 28 oder Heizkörper etc. Diese Einrichtung eignet sich daher besonders für Wohnhäuser. Der Rücklauf des Mediums, aus dem Kondensator bzw dem die Restwärme _ abgebenden und damit das Medium kondensierenden Heizkörper 28 wird über die Pumpe 25 gewährleistet, so dass das Medium zur erneuten Verdampfung wieder dem Block 2 bzw den dortigen Rohren 3 zurückgeführt wird.
Figur 3 zeigt einige Ausführungsdetails. Im oberen Bildteil ist die Verbundanordnung von photovoltaischen Elementen 1 und dem Wärmeblock 2 dargestellt. Hierbei schaut man als Betrachter in die Rohre 3. Um einen Wärmeübergang zwischen den photovoltaischen Elementen 1 und dem Block weiter zu optimieren, kann zwischen beiden eine transparente (zumindest im Infrarotbereich transparente) wärmeübergangsverbessernde oder wärmeleitende Schicht oder Folie 5 zwischengelegt werden. Der Block 2 beinhaltet die Rohre 3 in denen das
Verdampfermedium der ORC-Anlage fließt. Um alle Wärme zu nutzen, ist der Block 2 an den übrigen Außenflächen mit einer thermischen Isolation 4 versehen, die einen Wärmeverlust vom Block 2 nach außen weitestgehend verhindert, damit alle anfallende Wärme zur
Nachverstromung (Erzeugung elektrischer Energie) genutzt werden kann. Der untere Bildteil von Figur 3 zeigt eine draufsichtähnliche Darstellung bei welcher nur die Leitungsführung der Rohre 3 dargestellt wird. Die parallelen Rohre sind an den Enden jeweils mit gebogenen Rohrverbindern 10 verschlossen, so dass alle Rohre schlüssig miteinander zu einer Art gefalteten Gesamtrohleitung verbunden sind. Die Rohrverbindungen 10 sind dabei druckfest eingebracht, so dass das Verdampfermedium darin dicht eingeschlossen ist und nur im geschlossen ORC-Kreislauf fließt. Die Rohrverbindungen 10 sind dabei so mittels bspw dichten Verschaubungen in den massiven Block 2 eingebracht, dass sich ein Eingang 11 für den Einlass bzw der Rücklauf des Mediums ergibt, sowie einen Auslass 12 des verdampften Mediums zur Turbine.
Diese Anordnung stellt somit einen integrierten Kühler für die photovoltai sehen Elemente sowie einen integrierten Verdampfer für die ORC Anlage dar. Daraus ergibt sich eine Kompakte aber zugleich energieeffiziente Ausführung. Alternativ zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 und 3 kann der als Block 2 ausgebildete Sonnenkollektor, der hinter den photovoltai sehen Elementen 1 angeordnet ist und die Transmissionswärme derselben aufnimmt auch als rohrlose geschweisste Blechanordnung ausgebildet sein, in welchem nur eine große durchf lossene Kammer oder mehrere durchflossene Kammern angeordnet sind. Dabei ist es auch möglich, diese als Blechanordnung oder in einem Rohrblock ausgeführte Anordnung nur mit beliebiger Flüssigkeit wie Wasser zu füllen , welches dann wie in Figur 1 gezeigt, dem Wärmetauscher 21 des Verdampfers 26 aufgeheizt zugeführt wird, um dort dann das Verdampfermedium des ORC-Zyklusses aufzuheizen. Wichtig ist in allen Ausführungsformen die Zusammenführung von Kühlung der photovoltaischen Elmente 1 und zugleich der Nutzung der transmittierten Wärme sowie der Abwärme der photovoltaischen Elemente 1. Durch die Anordnung derselben hinter den photovoltaischen Elementen dient dies als kombinierte Kühlung und als Sonnenkollektor, wobei die gesamte Wärme zusätzlich in der ORC-Anlage nachverstromt wird, d.h. in weitere elektrische Energie umgewandelt wird.
Figur 4 zeigt ein Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung, bei der eine selbstmotorische Kühlung der photovoltaischen Elemente 1 realisiert wird. Hinter den photovoltaischen Elementen sind mehrere, strömungstechnisch nicht miteinander verbundene Rohre 3 parallel angeordnet und über ein Wärmeleitblech 32 miteinander verbunden. Das Wärmeleitblech 32 wiederum ist wärmeleitschlüssig mit der Rückseite der photovoltaischen Elemente verbunden. Die Rohre münden an einer Seite in einen gemeinsame Kondensatorblock 29 ein. Innerhalb desselben, sind für jedes einzelne Rohr 3 separierte Kondensationsvolumen 30 implementiert. Ferner kann der Kondensatorblock noch mit nicht weiter dargestellten Kühlrippen versehen sein. Im unteren Bildteil ist lediglich in Seitenansicht dargestellt, dass die Anordnung bspw auf einer Dachfläche geneigt aufgebaut ist. Dies bewirkt nun folgendes. Das ORC-Medium verdampft unter Aufnahme der transmittierten Wärme der photovoltai sehen Elemente. Und steigt in den Rohren nach oben und nimmt diese Wärme mit. Oben kondensiert es im Kondensator der das Medium abkühlt, wodurch das Medium wieder flüssig nach unten fällt und der Vorgang erneut abläuft. Die dabei entstehende Kühlung ist selbstmotorisch und sehr effektiv. Dabei brauch keine elektrische Pumpe betrieben werden. Es muss lediglich ein entsprechender mit dem ORC-Medium abgestimmter Druck eingestellt werden, so dass dieser Vorgang im gewünschten Temperaturbereich auch zyklisch abläuft.
Bezugszeichen;
1 Photovoltaische Elemente 2 Block (Sonnenkollektor für Wärme)
3 Rohre
4 Thermische Isolation
5 Wärmeleitfolie
10 Rohrverbinder bzw Rohrverbindungen
11 Eingang in Rohrsystem
12 Ausgang aus Rohrsystem
20 Gleichstromeingang 21 Wärmetauscher
22 Turbine
23 Generator
24 Kondensator 25 Pumpe 26 Verdampfer
27 Elektrischer Abgang des Generators 23 28 Heizung als Kondensator 29 Kondensatorblock
30 - gesteuerter Ausgang elektrischer Energie
31 Kondensatorvolumen
32 Wärmeleitmittel, Wärmeleitblech

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels photovoltaischer Elemente, die auf einer Bestrahlungsseite mit Licht, insbesondere Sonnenlicht bestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein von einem Medium im Durchfluss gekühlten Bereich vorgesehen ist, dessen Abwärme mit einem Verdampfer einer Niedertemperatur ORC-Anlage korrespondiert, in welcher die bei der Kühlung entstehende Abwärme von den photovoltai sehen Elementen weg transportiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein von einem Medium im Durchfluss gekühlten Bereich vorgesehen ist, dessen Abwärme mit einem Verdampfer einer Niedertemperatur ORC-Anlage korrespondiert, in welcher die bei der Kühlung entstehende Abwärme in einer Turbine -Generator-Anordnung nachverstromt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mittels eines von Kühlmittel durchspülten Rohrsystems erfolgt, über welches diese transportierte Abwärme über einen im Verdampfer angeordneten Wärmetauscher der ORC-Anlage zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel das Verdampfermedium der ORC- Anlage selbst ist, und dass das besagte Verdampfermedium direkt die durch die photovoltaischen Elemente transmittierte Wärme aufnimmt, indem das Kühlsystem zugleich der Verdampfer des Mediums der ORC-Anlage ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die photovoltaischen Elemente als auch die ORC-Anlage jeweils einen elektrischen Ausgang aufweisen, und dass die elektrischen Ausgänge zu einem gemeinsamen elektrischen Ausgang geführt werden, welcher geregelt elektrische Energie ins Stromnetz liefern.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination dieses Verfahrens mit einer Biogasanlage in der Weise erfolgt, dass mittels der Solarstrom- und Kühlwärmestromerzeugung die Biogaserzeugungsanlage energetisch zum Betreiben der Biogaserzeugungsprozesse komplett versorgbar ist, und der Überschuß an elektrischer Energie ins öffentliche Stromnetz gespeist wird.
7. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels photovoltaischer Zellen, mit einer mit Licht, insbesondere Sonnenlicht bestrahlten Bestrahlungsseite, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein von einem Medium im Durchfluss gekühlten Bereich vorgesehen ist, dessen Abwärme mit einem Verdampfer (2, 26) einer Niedertemperatur ORC-Anlage derart korrespondiert, dass die bei der Kühlung der photovoltaischen Elemente (1) entstehende Abwärme einer Turbine -Generator-Anordnung (22, 23) zuführbar und nachverstrombar ist.
8. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels photovoltai scher Zellen, mit einer mit Licht, insbesondere Sonnenlicht bestrahlten Bestrahlungsseite, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite ein von einem ORC-Medium gekühlten Bereich vorgesehen ist, der aus einer Mehrzahl von mit dem ORC-Medium gefüllten Rohren (3) besteht, die untereinander und mit den photovoltai sehen Zellen (1) mit Wärmeleitmitteln (32) wärmeleitend verbunden sind, und an einer Seite mit einem Kondensatorblock (29) verbunden sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorblock (29) aus einem stark wärmeleitenden Material besteht, und jedes der Rohre (3) dort gasdicht in ein innerhalb des Kondensatorblocks (29) angeordnetes eigenes Kondensatorvolumen (32) einmündet.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Rohre (3) parallel angeordnet sind.
11. Einrichtung- nach Anspruch.9 -.oder..10 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorblock (29) mit Kühlrippen verbunden oder versehen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mittels eines von Kühlmittel durchspülten Rohrsystems (2, 3) erfolgt, welches an der der besagten Bestrahlungseite der photovoltaischen Elemente (1) abgewandte Seite angeordnet ist, über welches diese transportierte Abwärme einem in einem Verdampfer (26) angeordneten Wärmetauscher (21) der ORC-Anlage zuführbar ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel das Verdampfermedium der ORC- Anlage selbst ist, und dass das besagte Verdampfermedium direkt die durch die photovoltaischen Elemente (1) transmittierte Wärme aufnimmt, indem das Kühlsystem (2, 3) zugleich der Verdampfer des Mediums der ORC-Anlage ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel das Verdampfermedium der ORC-Anlage selbst ist, und dass das besagte Verdampfermedium direkt die durch die photovoltaischen Elemente (1) transmittierte Wärme aufnimmt, indem das Kühlsystem (2, 3) zugleich der Verdampfer des Mediums der ORC-Anlage ist.
15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die photovoltaischen Elemente (1) als auch die ORC- Anlage jeweils einen elektrischen Ausgang (20, 27) aufweisen, und dass die elektrischen Ausgänge zu einem gemeinsamen elektrischen Ausgang (30) verschaltet sind, über welchen geregelt elektrische Energie ins Stromnetz lieferbar ist.
16. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung dieser Art mit einer Biogasanlage baulich und energetisch so kombiniert ist, dass mittels der Solarstrom- und Kühlwärmestromerzeugung die Biogaserzeugungsanlage energetisch zum Betreiben der Biogaserzeugungsprozesse komplett versorgbar ist, und der Überschuß an elektrischer Energie ins öffentliche Stromnetz gespeist wird.
17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrsystem der ORC- Anlage und die Anordnung photovoltaischer Elemente (1) in einer Sandwichbauweise gestaltet sind, bei welcher die Rohrleitungen (3) in einem Block (2) integriert sind, auf welchem die Anordnung photovoltaisehen Elemente (1) angeordnet sind.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Block (2) aus gut wärmeleitfähigem Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium besteht .
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Anordnung aus photovoltai sehen Elementen (1) und Block (2) mit dazwischenliegender Wärmeleitfolie (5) versehen ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (3) im Metallblock (2) parallel angeordnet sind und an den Enden jeweils mit druckfesten Rohrverbindungen (10) über Verschraubungen zum danebenliegenden Rohr verbunden sind, wobei die Verbindungen bzw die Verschraubungen direkt in den Metallblock eingeschraubbar sind.
21. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfolie (5) schwarz eingefärbt ist.
22. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rohre (3) in Block (2) ist mit Medium gefüllt und Block ist über eine druckfeste Rohrleitung direkt an eine Turbine (22) angeschlossen.
23. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (24, 28) bzw Kondensatorwärmetauscher der ORC-Anlage als Direktheizung von Raumluft und/oder zur Warmwasserbeheizung rohrleitungsmäßig verschaltet ist.
24. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführpumpe (25) als Saugpumpe für das druckmäßig entspannte Medium direkt oder nahe am Eingang des Blocks angeordnet ist.
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