WO2014019922A1 - Mit windenergie betriebene hocheffiziente anlage zum abführen von abwärme - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a high-energy plant operated with wind energy for removing waste heat, wherein the plant at least one wind turbine, at least one to be cooled, the waste heat producing plant unit, a cooling water circuit for cooling the plant unit, driven by the wind turbine circulating pump for the cooling water, and at least comprising a cooler in the cooling water circuit and wherein the circulating pump is in direct mechanical drive connection, optionally via a transmission, with the wind turbine.
  • the efficiency of solar power modules drops sharply with increasing temperature, typically by 5 percent per 10 ° C heating.
  • the cells can easily warm up to a temperature of 80 to 90 ° C.
  • up to 130 ° C can be achieved.
  • Object of the invention The existing in the renewable primary energy potential for the generation of useful energy such as electricity and hot water should be significantly improved. In particular, the overall efficiency should be significantly increased compared to an energy conversion of separate, separate from each other operating energy conversion plants.
  • waste heat producing plants should be significantly increased and the operating cost share due to the waste heat of these systems can be reduced in this way. This should be achieved with renewable energies.
  • the waste heat should be removed without reducing the efficiency of the system unit to be cooled.
  • Radial turbines (8) are arranged with a vertical axis of rotation (9) which are interconnected and about a pivot axis (10) parallel to the
  • Turbine axles (9) are pivotable,
  • pivot axis (10) and a wind distributor (11), in particular a V-shaped wind distributor lie outside the connecting line of the turbine axles (9), that the pivot axis (10) and the wind distributor (11) are arranged on the same side of the connecting line (32 ) and
  • Wind distributor (11) is arranged.
  • Windshield mounted radiator exposes the maximum possible wind flow. An energy-consuming fan for the radiator is no longer necessary.
  • Advantageous embodiments of the invention are set forth in the subclaims.
  • the photovoltaic system By cooling the photovoltaic system, their efficiency is significantly increased. By using the heated cooling water to produce heated drinking water, the energy utilization of solar radiation is further improved.
  • the photovoltaic system serves, so to speak, as a thermal solar collector.
  • the energy for the circulation of the cooling water is supplied by the wind turbine, so that a further improvement of the overall efficiency is achieved by this measure. Overall, the energy production potential of each building is significantly improved. In the event that enough hot water is available, is also an additional cooler in the
  • Cooling water circuit provided to dissipate the unneeded heat.
  • Photovoltaic system and thermal solar collector (implicitly by the cooling of the photovoltaic system), secondly by the cooling of the photovoltaic system, thirdly by the use of heated cooling water to produce warm drinking water and fourthly by the use of mechanical energy of the wind turbine to circulate the cooling water a very high overall efficiency reached.
  • the wind turbine can simultaneously serve to generate electricity. If the wind turbine, at least partially, is used to circulate the cooling water, it is advantageous if the circulating pump is in direct mechanical drive connection, possibly via a transmission, with the wind turbine. Thus, the mechanical energy generated by the wind turbine is almost lossless used to drive the circulation pump and further increases the efficiency.
  • the wind turbine is designed according to claim 3 and the at least one cooler is arranged in front of the V-shaped wind distributor.
  • the wind turbine always turns in the wind direction and also the cooler is also in the wind direction, so that it is exposed to the maximum possible wind flow and thus works optimally.
  • the solar cell panel then operates virtually simultaneously as a thermal solar collector for heating water, in this case the cooling water.
  • Figure 1 is a flow diagram of a first embodiment of
  • FIG. 1 shows a flow chart of a first embodiment of the invention
  • the solid lines mean lines for direct electrical current, the dashed lines signal lines and the dash-dotted lines a low-pressure water line, namely in particular the cooling water circuit.
  • the system includes a wind turbine 1 with two radial turbines 8 and a V-shaped wind distributor 11, a photovoltaic system 2, from the clarity half only a solar cell panel 12 is shown.
  • the solar cell panel 12 is cooled by the cooling water circuit 3, which is circulated by a circulating pump 4.
  • the cooling water releases the heat via a heat exchanger 6 to drinking water from the drinking water network 5 and / or to a cooler 7.
  • the circulation pump 4 is in direct mechanical drive connection with the wind turbine 1.
  • a control valve 13 In the cooling water circuit 3, a control valve 13, a control pump 14, a
  • Three-way valve 15, an air outlet valve 16 and a water inlet valve 17 are provided, as shown in FIG.
  • the valves and pumps are controlled by a control unit 18.
  • the cooling water circuit 3 operates as follows. Via the water inlet valve 17, the pipe system can be filled with water. Any existing and disturbing air can be drained via the air outlet sventil 16 (venting). The cold cooling water flows over the surface of a solar cell panel 12.
  • the panel is constructed as shown in the detail drawing Figure la.
  • Within a sealed frame 19 is a glass plate 21 at a distance and above a solar module 20, which carries the solar cells. By the gap 22 formed between the solar module 20 and the glass sheet 21, the cooling water flows.
  • Three-way valve 15 either flow through a heat exchanger 6, where it heats the drinking water contained in a hot water tank 23, or it flows through the Heilauslas sventil to a cooler 7, which is mounted on the roof of the building, preferably on the V-shaped wind distributor 11th the wind turbine.
  • the cooler can be equipped with or without fan.
  • Discharge line 24 may be used for domestic or commercial use.
  • the hot water tank 23 is filled via the drinking water network
  • the part of the heated cooling water, which has delivered its heat in the heat exchanger 6 to the drinking water, is passed through the air outlet valve 16 and the radiator 7.
  • Auslas s of the radiator 7 a part of the cooled again
  • Cooling water either via the circulation pump 4, which is driven in direct mechanical connection of the wind turbine 1, and the control valve 13 or directly via the control pump 14 back to the solar panel 12, where it exerts its cooling function again.
  • the wind turbine 1 serves not only to operate the circulation pump 4, but also to generate electric power via an electric generator 25, which supplies the power to a first inverter 26. Also, the electric power generated by the photovoltaic system 2 is passed to the first inverter 26. From there, the electric current flows, depending on the commands of the control unit 18, either in an electric accumulator 27 for storage or intermediate storage or via the control unit 18 in a second inverter 28 for feeding into the public grid or in a third inverter 29 for feeding the house
  • the power can also be fed from the accumulator 27 or the public power grid or the in-house network in the system.
  • the plant according to the invention is thus flexible so that an extremely high overall efficiency and also a very high efficiency is achieved.
  • the system can buffer the electrical energy when the feed-in tariff in the public grid is low. If to specific
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through the preferred used
  • Wind turbine 8 Here are two side by side and parallel aligned
  • Radial turbines 8 each provided with three turbine blades 30.
  • the turbines have a vertical axis of rotation.
  • the entire wind turbine is preferably located on the roof of a building.
  • the two radial turbines 8 are connected to each other via a mechanical support.
  • the entire support with the turbines 8 is pivotable about a pivot axis 10, which is also vertical, which always shows a likewise attached to the holder V-shaped wind distributor 11 in the direction of the oncoming wind.
  • the wind distributor 11 concentrates the wind flow on the turbines 8. As a result of the pivot axis 10, this is
  • the radiator 7 is always exposed to the strongest wind flow.
  • An additional fan is therefore not required, whereby a further increase in the efficiency of the entire system is achieved.
  • coolers 7a may also be mounted behind the wind distributor, as likewise shown in FIG. In this case, one or more fans should be provided, preferably battery operated.
  • the built-in thermal solar collectors provide hot water in abundance, so that even this measure considerable energy can be saved.
  • the electric accumulator the electrical energy can always be available when the consumer needs it.
  • the heat from the photovoltaic field can be used to generate heat energy.
  • the heat energy can drive electric generators to generate more electrical energy.
  • the solar radiation in Europe is about 1 kW / m 2 , with photovoltaic systems can convert between 8 to 12 percent of this energy into electrical power.
  • the remaining energy is converted into heat, so that only cooling and solar thermal collectors can convert the remaining energy into useful energy.
  • the combination according to the invention of the three wind turbine, photovoltaic plant and solar thermal energy generation plants is the natural and most efficient way of generating renewable energy, which moreover can be easily stored.
  • the radiators according to FIG. 2 When the radiators according to FIG. 2 are mounted in front of the V-shaped wind distributor 11, they are always exposed to the oncoming wind flow and the radiators have a better Cp value. The heat emitted by the radiators also has a positive effect on the Cp value of the wind turbine.
  • FIG. 3 shows a flow chart of a second invention
  • Embodiment similar to the example corresponding to Figure 1.
  • the photovoltaic system 2 omitted.
  • the inventive system is used to dissipate the waste heat of an air conditioner or refrigeration system 33 and to use beneficial.
  • the refrigerant circuit 34 of the air conditioner 33 is connected to the heat exchanger 6 in connection.
  • AC lines 39 are marked. This makes it clear that the current generated by the wind turbine 1 for driving the
  • Air conditioning 33 and the control unit 18 is used.
  • Air conditioner work considerably more effective if they are attached directly to the wind turbine as described above. Fans for the coolers are then no longer necessary. Just as the cooling by the wind turbine can be used to one
  • Cooling photovoltaic system or an air conditioning and refrigeration system can also be used for cooling of combined heat and power plants.
  • combined heat and power plants although the waste heat produced in the production of electricity is used as usable heat. But the waste heat produced by the combined heat and power plants is always, even in winter and, of course, even in summer, much larger than the required useful heat. The excess amount of heat can from the
  • inventive system are discharged very effectively and economically.
  • the efficiency increases due to the improved cooling and the combined heat and power plant works more economically.
  • Latent heat storage Phase Change Materials
  • the latent heat storage can use the cold of the night to cool during the day and use the summer heat for winter heating. It is also clear from this figure that the wind turbine on the roof, the
  • Latent heat storage under the building and the rest of the system are installed in the building. Also marked are heat transfer lines 40 to conduct the heat from the air conditioner 33 to the latent heat storage 37 and in the reverse direction.
  • the cooling of photovoltaic systems can be the first stage of a power supply chain for a conventional power generation in a steam driven turbine system.
  • the heated water from the photovoltaic system can also be overheated by using solar thermal collectors in the final stage of this chain.
  • cooling air conditioners instead of the water pump 4 a
  • Hydraulic pump used for circulating the coolant, wherein the
  • Hydraulic pump is also powered by the wind turbine, preferably directly via a direct mechanical connection.

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Abstract

Die mit Windenergie betriebene hocheffiziente Anlage zum Abführen von Abwärme, wobei die Anlage - mindestens eine Windkraftanlage (1), - mindestens eine zu kühlende, die Abwärme produzierende Anlageneinheit (2), - einen Kühlwasserkreislauf (3) zur Kühlung der Anlageneinheit (2), - eine von der Windkraftanlage (1) angetriebene Umwälzpumpe (4) für das Kühlwasser, und - mindestens einen Kühler (7) im Kühlwasserkreislauf (3) umfasst und wobei die Umwälzpumpe (4) in direkter mechanischer Antriebsverbindung, gegebenenfalls über ein Getriebe, mit der Windkraftanlage (1) steht, ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Windkraftanlage (1) zwei nebeneinander und parallel ausgerichtete Radialturbinen (8) mit einer vertikalen Rotationsachse (9) angeordnet sind, die miteinander verbunden und um eine Schwenkachse (10) parallel zu den Turbinenachsen (9) verschwenkbar sind, dass die Schwenkachse (10) und ein Windverteiler (11), insbesondere ein V-förmiger Windverteiler, außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen (9) liegen, dass die Schwenkachse (10) und der Windverteiler (11) auf der gleichen Seite der Verbindungslinie (32) liegen und dass der mindestens eine Kühler (7) an der dem Wind zugewandten Seite des Windverteilers (11) angeordnet ist.

Description

Mit Windenergie betriebene hocheffiziente Anlage zum Abführen von Abwärme
Die Erfindung betrifft eine mit Windenergie betriebene hocheffiziente Anlage zum Abführen von Abwärme, wobei die Anlage mindestens eine Windkraftanlage, mindestens eine zu kühlende, die Abwärme produzierende Anlageneinheit, einen Kühlwasserkreislauf zur Kühlung der Anlageneinheit, eine von der Windkraftanlage angetriebene Umwälzpumpe für das Kühlwasser, und mindestens einen Kühler im Kühlwasserkreislauf umfasst und wobei die Umwälzpumpe in direkter mechanischer Antriebsverbindung, gegebenenfalls über ein Getriebe, mit der Windkraftanlage steht.
Eine derartige Anlage ist aus der DE 10 2004 046 286 B4 bekannt. Hier ist eine Windturbine als Kondensator ausgebildet.
Stand der Technik
Zur Erzeugung von elektrischem Strom und zum Erwärmen von Trinkwasser, jeweils aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wind, Wasserkraft, usw. ist es bekannt, separate Energieumwandlungsanlagen wie Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen, thermische Solarkollektoren, usw. einzusetzen. Diese Anlagen arbeiten unabhängig voneinander und haben einen bestimmten Wirkungsgrad mit einem von der
Funktionsweise her charakteristischen maximalen Grenzwert. Das Potential zur Energieerzeugung aus den erneuerbaren Energien lässt sich damit nur in sehr begrenztem Maße ausschöpfen. Dies gilt insbesondere für die Möglichkeiten an einem einzelnen Gebäude, dort die anfallende erneuerbare Energie in Nutzenergie umzuwandeln.
Der Wirkungsgrad von Solarstrommodulen sinkt bei steigender Temperatur stark ab, typischerweise um 5 Prozent pro 10 °C Erwärmung. In den Sommermonaten, also der Hauptertragszeit der Solarstrommodule können sich die Zellen leicht bis auf eine Temperatur von 80 bis 90 °C erwärmen. Je nach Modul- beziehungsweise Zellenbauart und den Umgebungsbedingungen können auch bis zu 130 °C erreicht werden.
Entsprechend hohe Verluste an Wirkungsgrad sind die Folge. Bei einer
Zellenerwärmung bis 130 °C wird die von dem Solarstrommodul abgegebene Leistung sogar halbiert.
Daher ist es sinnvoll, die Solarstrommodule zu kühlen. Nachteilig ist allerdings, dass die Kühlung zusätzliche elektrische Energie verbraucht. Bekannt ist, dass zur Kühlung die Solarstrommodule mit Wasser beregnet werden. Das abfließende Wasser wird allerdings nicht aufgefangen, sondern fließt wie normales Regenwasser ab. Generell besteht ein Problem in dem zu niedrigen Wirkungsgrad von Anlagen, die mit erneuerbaren Energien arbeiten. Dies wiegt umso schwerer, weil diese Anlagen ohnehin eine erheblich niedrigere Leistung als konventionelle Kraftwerke erbringen.
Aufgabe und Lösung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung: Das in den erneuerbaren Primärenergien vorhandene Potential zur Erzeugung von Nutzenergie wie elektrischem Strom und Warmwasser soll erheblich verbessert werden. Insbesondere soll der Gesamtwirkungsgrad deutlich gesteigert werden gegenüber einer Energieumwandlung von separaten, getrennt voneinander arbeitenden Energieumwandlungsanlagen.
Außerdem soll der Wirkungsgrad von Abwärme produzierenden Anlagen deutlich gesteigert werden und der Betriebskosten- Anteil aufgrund der Abwärme dieser Anlagen auf diesem Wege verringert werden. Dies soll mit erneuerbaren Energien erreicht werden. Die Abwärme soll ohne Reduktion des Wirkungsgrades der zu kühlenden Anlageneinheit abgeführt werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass bei der Windkraftanlage (1) zwei nebeneinander und parallel ausgerichtete
Radialturbinen (8) mit einer vertikalen Rotationsachse (9) angeordnet sind, die miteinander verbunden und um eine Schwenkachse (10) parallel zu den
Turbinenachsen (9) verschwenkbar sind,
dass die Schwenkachse (10) und ein Windverteiler (11), insbesondere ein V-förmiger Windverteiler, außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen (9) liegen, dass die Schwenkachse (10) und der Windverteiler (11) auf der gleichen Seite der Verbindungslinie (32) liegen und
dass der mindestens eine Kühler (7) an der dem Wind zugewandten Seite des
Windverteilers (11) angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft und erfinderisch ist die Doppelfunktion der Windkraftanlage, da sie erstens die Umwälzpumpe (4) für das Kühlwasser - und durch die direkte Kopplung praktisch ohne Energieverluste - antreibt und zweitens gleichzeitig den am
Windverteiler angebrachten Kühler der maximalen möglichen Windströmung aussetzt. Ein Energie verbrauchender Ventilator für den Kühler ist nicht mehr notwendig. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Durch die Kühlung der Photovoltaikanlage wird deren Wirkungsgrad erheblich gesteigert. Durch die Verwendung des erwärmten Kühlwassers zur Erzeugung von erwärmtem Trinkwasser wird die energetische Ausnutzung der Sonneneinstrahlung zusätzlich verbessert. Die Photovoltaikanlage dient sozusagen gleichzeitig als thermischer Solarkollektor. Die Energie für die Umwälzung des Kühlwassers wird von der Windkraftanlage geliefert, so dass auch durch diese Maßnahme eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades erreicht wird. Insgesamt wird das Energieerzeugungspotential von jedem Gebäude deutlich verbessert. Für den Fall, dass genügend Warmwasser vorhanden ist, ist auch ein zusätzlicher Kühler im
Kühlwasserkreislauf vorgesehen, um die nicht benötigte Wärme abzuführen.
Insgesamt wird erstens durch die Kombination von Windkraftanlage,
Photovoltaikanlage und thermischem Sonnenkollektor (implizit durch die Kühlung der Photovoltaikanlage), zweitens durch die Kühlung der Photovoltaikanlage, drittens durch die Verwendung des erwärmten Kühlwassers zur Erzeugung von warmem Trinkwasser und viertens durch die Verwendung der mechanischen Energie der Windkraftanlage zur Umwälzung des Kühlwassers ein sehr hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht.
Die Windkraftanlage kann gleichzeitig zur Erzeugung von elektrischem Strom dienen. Wenn die Windkraftanlage, zumindest teilweise, zur Umwälzung des Kühlwassers eingesetzt wird, ist es von Vorteil, wenn die Umwälzpumpe in direkter mechanischer Antriebsverbindung, gegebenenfalls über ein Getriebe, mit der Windkraftanlage steht. Damit wird die von der Windkraftanlage erzeugte mechanische Energie nahezu verlustfrei zum Antrieb der Umwälzpumpe eingesetzt und der Wirkungsgrad weiter erhöht.
Vorteilhaft ist außerdem, wenn die Windkraftanlage entsprechend Anspruch 3 ausgebildet ist und der mindestens eine Kühler vor dem V-förmigen Windverteiler angeordnet ist. In diesem Fall dreht sich die Windkraftanlage immer in Windrichtung und auch der Kühler steht ebenfalls in Windrichtung, so dass er der maximalen möglichen Windströmung ausgesetzt ist und damit optimal arbeitet.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Photovoltaikanlage mindestens ein
Solarzellenpanel umfasst und das Kühlwasser über die Oberfläche des
Solarzellenpanels geleitet wird. Das Solarzellenpanel arbeitet dann praktisch gleichzeitig als thermischer Solarkollektor zur Erwärmung von Wasser, in diesem Fall des Kühlwassers.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungi näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert. Es zeigen
Figur 1 ein Fließdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Anlage, einen schematischen Querschnitt durch die bevorzugt eingesetzte Windkraftanlage 8, ein Fließdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung zum Abführen der Abwärme einer Klima- beziehungsweise einer Kälteanlage und ein Fließdiagramm eines dritten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels, bei dem Latentwärmespeicher zusätzlich vorhanden sind. Figur 1 zeigt ein Fließdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Anlage. Die durchgezogenen Linien bedeuten Leitungen für elektrischen Gleichstrom, die gestrichelten Linien Signalleitungen und die strichpunktierten Leitungen eine Niederdruck- Wasserleitung, nämlich insbesondere den Kühlwasserkreislauf 3.
Die Anlage enthält eine Windkraftanlage 1 mit zwei Radialturbinen 8 und einem V- förmigen Windverteiler 11 , eine Photovoltaikanlage 2, von der der Übersichtlichkeit halber nur ein Solarzellenpanel 12 dargestellt ist. Das Solarzellenpanel 12 wird gekühlt vom Kühlwasserkreislauf 3, welcher von einer Umwälzpumpe 4 umgewälzt wird. Das Kühlwasser gibt die Wärme über einen Wärmetauscher 6 an Trinkwasser aus dem Trinkwassernetz 5 und/oder an einen Kühler 7 ab. Die Umwälzpumpe 4 steht in direkter mechanischer Antriebsverbindung mit der Windkraftanlage 1.
Im Kühlwasserkreislauf 3 sind ein Regelventil 13, eine Regelpumpe 14, ein
Drei Wegeventil 15, ein Luftauslassventil 16 sowie ein Wassereinlassventil 17 vorgesehen, wie aus Figur 1 hervorgeht. Die Ventile und Pumpen werden von einer Steuereinheit 18 angesteuert.
Der Kühlwasserkreislauf 3 arbeitet wie folgt. Über das Wassereinlassventil 17 kann das Rohrsystem mit Wasser gefüllt werden. Eventuell vorhandene und störende Luft kann über das Luftauslas sventil 16 abgelassen werden (Entlüftung). Das kalte Kühlwasser strömt über die Oberfläche eines Solarzellenpanels 12. Das Panel ist dabei so, wie es in der Detailzeichnung Figur la dargestellt ist, aufgebaut. Innerhalb eines versiegelten Rahmens 19 liegt eine Glasscheibe 21 im Abstand und oberhalb eines Solarmoduls 20, die die Solarzellen trägt. Durch den zwischen dem Solarmodul 20 und der Glasscheibe 21 gebildeten Zwischenraum 22 strömt das Kühlwasser.
Nachdem es dort erwärmt wurde, kann es in Abhängigkeit von der Stellung des
Drei Wegeventils 15 entweder durch einen Wärmetauscher 6 fließen, wo es das in einem Warmwasserspeicher 23 enthaltene Trinkwasser erwärmt, oder es fließt über das Luftauslas sventil zu einem Kühler 7, welcher auf dem Dach des Gebäudes montiert ist, vorzugsweise auf dem V-förmigen Windverteiler 11 der Windkraftanlage. Der Kühler kann mit oder ohne Ventilator ausgestattet sein.
Wird das erwärmte Kühlwasser zur Bereitstellung von warmen Trinkwasser benutzt, so kann dieses warme Trinkwasser aus dem Warmwasserspeicher 23 über die
Entnahmeleitung 24 für den Gebrauch im Privathaushalt oder gewerblichen Betrieb benutzt werden. Aufgefüllt wird der Warmwasserspeicher 23 über das Trinkwassernetz
5.
Auch der Teil des erwärmten Kühlwassers, welcher seine Wärme im Wärmetauscher 6 an das Trinkwasser abgegeben hat, wird über das Luftauslassventil 16 und den Kühler 7 geführt. Am Auslas s des Kühlers 7 fließt ein Teil des wieder abgekühlten
Kühlwassers entweder über die Umwälzpumpe 4, die in direkter mechanischer Verbindung von der Windkraftanlage 1 angetrieben wird, und das Regelventil 13 oder direkt über die Regelpumpe 14 zurück zum Solarzellenpanel 12, wo es erneut seine Kühlfunktion ausübt.
Die Windkraftanlage 1 dient nicht nur zum Betreiben der Umwälzpumpe 4, sondern auch zum Erzeugen von elektrischem Strom über einen elektrischen Generator 25, der den Strom an einen ersten Inverter 26 liefert. Auch der von der Photovoltaikanlage 2 erzeugte elektrische Strom wird zum ersten Inverter 26 geleitet. Von dort fließt der elektrische Strom, in Abhängigkeit von den Befehlen der Steuereinheit 18, entweder in einen elektrischen Akkumulator 27 zur Speicherung oder Zwischenspeicherung oder über die Steuereinheit 18 in einen zweiten Inverter 28 zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz oder in einen dritten Inverter 29 zur Einspeisung in das hausinterne
Stromnetz.
Je nach Bedarf kann der Strom auch aus dem Akkumulator 27 oder dem öffentlichen Stromnetz oder dem hausinternen Netz in das System eingespeist werden.
Die erfindungsgemäße Anlage ist dadurch so flexibel, das ein außerordentlich hoher Gesamtwirkungsgrad und außerdem eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit erreicht wird. So kann das System die elektrische Energie zum Beispiel Zwischenspeichern, wenn die Einspeisevergütung in das öffentliche Stromnetz niedrig ist. Wenn zu bestimmten
Zeitpunkten die Einspeisevergütung hoch ist, kann das System nicht nur elektrischen Strom aus der Erzeugung durch Windkraftanlage und die Photovoltaikanlage, sondern auch aus dem elektrischen Akkumulator 27 in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die bevorzugt eingesetzte
Windkraftanlage 8. Hier sind zwei nebeneinander und parallel ausgerichtete
Radialturbinen 8 mit jeweils drei Turbinenflügeln 30 vorgesehen. Die Turbinen haben eine vertikale Rotationachse. Die gesamte Windkraftanlage steht vorzugsweise auf dem Dach eines Gebäudes. Die beiden Radialturbinen 8 sind über eine mechanische Halterung miteinander verbunden. Die gesamte Halterung mit den Turbinen 8 ist um eine Schwenkachse 10, welche ebenfalls vertikal steht, so verschwenkbar, das ein ebenfalls an der Halterung angebrachter V-förmiger Windverteiler 11 immer in Richtung des entgegenkommenden Windes zeigt. Der Windverteiler 11 konzentriert die Windströmung auf die Turbinen 8. Infolge der Schwenkachse 10 ist diese
Anordnung immer optimal relativ zur Windrichtung ausgerichtet. Die Ursache dafür ist die Lage der Schwenkachse 10 und des V-förmigen Windverteilers außerhalb der Verbindungslinie 32 der Turbinenachse 9 und der Anordnung von Schwenkachse und Windverteiler auf der gleichen Seite dieser Verbindungslinie 32.
Vorteilhaft ist das Anbringen des Kühlers 7, in diesem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 in einer zweigeteilten Form, vor dem V-förmigen Windverteiler 11. Damit ist der Kühler 7 immer der stärksten Windströmung ausgesetzt. Ein zusätzlicher Ventilator ist daher nicht erforderlich, wodurch eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich können Kühler 7a auch hinter dem Windverteiler angebracht sein, wie es ebenfalls in Figur 2 dargestellt ist. In diesem Fall sollten ein oder mehrere Ventilatoren vorgesehen sein, vorzugsweise batteriebetrieben.
Die Kombination von Windturbinen, Solarstrommodul und thermischen
Sonnenkollektor entsprechend der Erfindung hat wesentliche Vorteile. Diese
Kombination verbessert das Potential von jedem Gebäude, erneuerbare Energie in Nutzenergie umzuwandeln. Die Windturbine arbeitet ohne Vibration oder Lärm, erzeugt elektrische Energie und liefert außerdem die Kühlung für die
Photovoltaikanlage.
Zu berücksichtigen ist auch die Einspeisevergütung von elektrischer Windenergie in Höhe von 8 Eurocent/kW/h und die Vergütung für Photovoltaik-Strom in Höhe von 30 Eurocent/kW/h. In Folge der Kühlung der Solarstrommodule erhält man für eine Temperaturerniedrigung von jeweils 10 °C Zellentemperatur eine Verbesserung der Energieabgabe von 5 Prozent.
Die eingebauten thermischen Solarkollektoren liefern Heißwasser im Überfluss, so dass auch durch diese Maßnahme erhebliche Energie eingespart werden kann. Durch den elektrischen Akkumulator kann die elektrische Energie immer dann zur Verfügung stehen, wenn der Verbraucher es benötigt. Erheblich weniger elektrische Energie aus dem öffentlichen Netz ist erforderlich. Strom aus Kernkraftanlagen wird durch diese enorme Energieeinsparung ebenfalls nicht mehr notwendig.
In heißen Ländern kann man sogar noch einen Schritt weiter gehen. Mit großen Anordnungen von Photovoltaikanlagen kann die Hitze aus dem Photovoltaik-Feld genutzt werden, um Wärmeenergie zu erzeugen. Die Wärmeenergie kann elektrische Generatoren zur Erzeugung weiterer elektrischer Energie antreiben. Die Sonneneinstrahlung in Europa beträgt etwa 1 kW/m2, wobei Photovoltaikanlagen zwischen 8 bis 12 Prozent dieser Energie in elektrische Leistung umsetzen können. Die restliche Energie wird in Wärme umgewandelt, so dass nur Kühlung und thermische Sonnenkollektoren die restliche Energie in Nutzenergie umwandeln können.
Die erfindungsgemäße Kombination der drei Energieerzeugungsanlagen Windturbine, Photovoltaikanlage und thermischer Sonnenkollektoren ist der natürliche und effizienteste Weg zur Erzeugung erneuerbarer Energie, die außerdem leicht gespeichert werden kann.
Wenn die Kühler entsprechend Figur 2 vor dem V-förmigen Windverteiler 11 angebracht sind, sind sie immer der entgegenkommenden Windströmung ausgesetzt und die Kühler haben einen besseren Cp-Wert. Die von den Kühlern abgegebene Wärme hat außerdem eine positive Wirkung auf den Cp-Wert der Windturbine.
Bei der Windturbine wird nur ein zweistufiger Wasserhydraulik-Schleifring in der Drehanordnung der Windturbine benötigt, um für die Umwälzung des Wassers zu sorgen, wenn die Turbine sich in die Windrichtung dreht.
Diese Zusammenhänge haben erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Das Prinzip kann auch in der Industrie für Kühltürme eingesetzt werden.
Figur 3 zeigt ein Fließdiagramm eines zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels, ähnlich wie das Beispiel entsprechend Figur 1. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel entfällt hier die Photovoltaikanlage 2. Stattdessen wird die erfindungsgemäße Anlage benutzt, um die Abwärme einer Klimaanlage beziehungsweise Kälteanlage 33 abzuführen und nutzbringend zu verwenden. Hierzu steht der Kältemittel- Kreislauf 34 der Klimaanlage 33 mit dem Wärmetauscher 6 in Verbindung. Eingezeichnet sind zusätzlich Wechselstromleitungen 39. Damit wird deutlich, dass der von der Windkraftanlage 1 erzeugte Strom zum Antrieb der
Klimaanlage 33 und der Steuereinheit 18 verwendet wird.
Auch für die Kühlung von Klima- und Kälteanlagen können die Kühler der
Klimaanlage erheblich effektiver arbeiten, wenn sie, wie oben beschrieben, direkt an der Windkraftanlage angebracht werden. Ventilatoren für die Kühler sind dann nicht mehr notwendig. So wie die Kühlung durch die Windturbine genutzt werden kann, um eine
Photovoltaikanlage oder eine Klima- und Kälteanlage zu kühlen, kann sie auch zur Kühlung von Blockheizkraftwerken verwendet werden. Bei Blockheizkraftwerken wird zwar die bei der Erzeugung von elektrischem Strom produzierte Abwärme als nutzbare Wärme eingesetzt. Aber die von den Blockheizkraftwerken produzierte Abwärme ist immer, auch im Winter und natürlich erst recht im Sommer, deutlich größer als die benötigte Nutzwärme. Die überschüssige Wärmemenge kann von der
erfindungsgemäßen Anlage sehr effektiv und wirtschaftlich abgeführt werden. Der Wirkungsgrad steigt durch die verbesserte Kühlung und das Blockheizkraftwerk arbeitet wirtschaftlicher.
Ein weiteres, drittes Ausführungsbeispiel wird im Fließdiagramm entsprechend Figur 4 dargestellt. Zusätzlich zu der Anlage entsprechend Figur 3 ist hier ein
Latentwärmespeicher (PCM = Phase Change Materials) unter den Fundamenten des Gebäudes vorgesehen. Der Latentwärmespeicher kann die Kälte der Nacht nutzen, um am Tage zu kühlen und die Sommerwärme für die Winterbeheizung nutzen. Deutlich wird an dieser Figur außerdem, dass die Windkraftanlage auf dem Dach, der
Latentwärmespeicher unter dem Gebäude und die restliche Anlage im Gebäude angebracht sind. Eingezeichnet sind ferner Wärmeträgerleitungen 40, um die Wärme von der Klimaanlage 33 zum Latentwärmespeicher 37 und in umgekehrter Richtung zu leiten.
In großen Industrieprojekten und auch in heißen Ländern kann die Kühlung von Photovoltaikanlagen die erste Stufe einer Energieversorgungskette für eine konventionelle Stromerzeugung in einem dampfgetriebenen Turbinensystem sein. Das erhitzte Wasser von der Photovoltaikanlage kann außerdem überhitzt werden, indem thermische Sonnenkollektoren in der Endstufe dieser Kette benutzt werden. Bei der Kühlung von Klimaanlagen wird anstelle der Wasserpumpe 4 eine
Hydraulikpumpe zum Umwälzen des Kühlmittels eingesetzt, wobei die
Hydraulikpumpe ebenfalls von der Windkraftanlage, vorzugsweise unmittelbar über eine direkte mechanische Verbindung, angetrieben wird. B e z u g s z e i c h e n l i s t e
1 Windkraftanlage
2 Photovoltaikanlage
3 Kühlwasserkreislauf
4 Umwälzpumpe
4a Hydraulikpumpe
5 Trinkwassernetz
6 Wärmetauscher
7 Kühler
8 Radialturbine
9 vertikale Rotationsachse
10 Schwenkachse
11 V-förmiger Windverteiler
12 Solarzellenpanel
13 Regelventil
14 Regelpumpe
15 Drei Wegeventil, Misch ventil
16 Luftauslassventil, Entlüftungsventil
17 Wassereinlassventil
18 Steuereinheit
19 versiegelter Rahmen
20 Solarmodul
21 Glasscheibe
22 Zwischenraum
23 Warmwasserspeicher
24 Entnahmeleitung
25 elektrischer Generator mit Gleichrichter
26 erster Inverter
27 elektrischer Akkumulator
28 zweiter Inverter, zum Einspeisen in das öffentliche Stromnetz
29 dritter Inverter, zum Einspeisen in das hausinterne Stromnetz
30 Turbinenflügel
31 Halterung
32 Verbindungslinie
33 Klimaanlage, Kälteanlage Kältemittel-Kreislauf
Dach des Gebäudes 36
Gebäude
Latentwärmespeicher
Ventil
elektrische Wechselstromleitungen Wärmeträgerleitungen

Claims

Ansprüche
Mit Windenergie betriebene hocheffiziente Anlage zum Abführen von
Abwärme,
wobei die Anlage
- mindestens eine Windkraftanlage (1),
- mindestens eine zu kühlende, die Abwärme produzierende Anlageneinheit (2),
- einen Kühlwasserkreislauf (3) zur Kühlung der Anlageneinheit (2),
- eine von der Windkraftanlage (1) angetriebene Umwälzpumpe (4) für das Kühlwasser, und
- mindestens einen Kühler (7) im Kühlwasserkreislauf (3)
umfasst und
wobei die Umwälzpumpe (4) in direkter mechanischer Antriebsverbindung, gegebenenfalls über ein Getriebe, mit der Windkraftanlage (1) steht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass bei der Windkraftanlage (1) zwei nebeneinander und parallel ausgerichtete Radialturbinen (8) mit einer vertikalen Rotationsachse (9) angeordnet sind, die miteinander verbunden und um eine Schwenkachse (10) parallel zu den Turbinenachsen (9) verschwenkbar sind,
dass die Schwenkachse (10) und ein Windverteiler (11), insbesondere ein V- förmiger Windverteiler, außerhalb der Verbindungslinie der Turbinenachsen (9) liegen,
dass die Schwenkachse (10) und der Windverteiler (11) auf der gleichen Seite der Verbindungslinie (32) liegen und
dass der mindestens eine Kühler (7) an der dem Wind zugewandten Seite des Windverteilers (11) angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Anlage zusätzlich zum Erwärmen von Trinkwasser ausgebildet ist und mindestens einen an das Trinkwassernetz (5) angeschlossenen Wärmetauscher (6) im Kühlwasserkreislauf (3) umfasst. 3. Anlage nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Windkraftanlage (1) zusätzlich zum Erzeugen von elektrischem Strom ausgebildet ist und dass die Anlage einen an die Windkraftanlage (1) anschließbaren elektrischen Generator (25) umfasst.
Anlage nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die zu kühlende Anlageneinheit eine Photovoltaikanlage (2) ist.
Anlage nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Photovoltaikanlage (2) mindestens ein Solarzellenpanel (12) mit einem Solarmodul (20) umfasst und das Kühlwasser über die Oberfläche des
Solarmoduls (20) geleitet wird.
Anlage nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das erwärmte Kühlwasser der zu kühlenden Anlageneinheit (2) in konventionellen, mit Wasserdampf arbeitenden Kraftwerken eingesetzt wird, insbesondere nach Überhitzung durch thermische Solarkollektoren.
Anlage nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die zu kühlende Anlageneinheit eine Klimaanlage (33) und/oder ein
Blockheizkraftwerk ist.
Anlage nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass zumindest ein Teil der von der zu kühlenden Anlageneinheit abgegebenen Abwärme von einem Latentwärmespeicher (37) aufgenommen und bei Bedarf abgegeben wird.
Anlage nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Windkraftanlage (1) auf dem Dach eines Gebäudes und ein eventueller
Latentwärmespeicher unter dem Fundament des Gebäudes angeordnet sind.
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