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DE10228865A1 - Kollektor mit integrierter Expansionsmaschine und Generator zur Wandlung thermischer Solarstrahlung in Elektrizität - Google Patents

Kollektor mit integrierter Expansionsmaschine und Generator zur Wandlung thermischer Solarstrahlung in Elektrizität Download PDF

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DE10228865A1
DE10228865A1 DE2002128865 DE10228865A DE10228865A1 DE 10228865 A1 DE10228865 A1 DE 10228865A1 DE 2002128865 DE2002128865 DE 2002128865 DE 10228865 A DE10228865 A DE 10228865A DE 10228865 A1 DE10228865 A1 DE 10228865A1
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DE
Germany
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collector
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DE2002128865
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Juergen Uehlin
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Uehlin Juergen Dipl-Ing
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Uehlin Juergen Dipl-Ing
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Abstract

Kollektor mit integrierter Expansionsmaschine und Generator zur Wandlung thermischer Solarstrahlung in Elektrizität. Bildung einer inneren Wärmesenke durch Vakuumverdampfung. Mehrkreissystem mit Kohlenwasserstoff oder CO2 als Wärmeträgermedium.

Description

  • Zur thermischen Nutzung der Warmestrahlung der Sonne werden Solarkollektoren auf Dächern und oder Freiflächen installiert. Es gibt eine Vielzahl von Ausführungen denen gemein ist, daß sie alle ein fluides Medium aufheizen das direkt oder über einen Speicher seine Energie an eine Heizung überträgt. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 80% und mehr. Solche Solarkollektoren sind beispielsweise in der Patentschrifft DE beschrieben.
  • Um elektrischen Strom zu produzieren setzt man Solarkollektoren auf Photovoltaikbasis ein Diese sind aber wesentlich teurer und haben einen sehr schlechten Wirkungsgrad von etwa 10%. Zusätzlich besteht das Problem, daß sie nur bei Sonnenstrahlung arbeiten und beispielsweise nachts keine Elektrizität liefern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Kollektoren zu entwickeln, die den hohen Wirkungsgrad der thermischen Solarkollektoren zur Elektrizitätsproduktion nutzen.
  • Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß durch die in einem Solarkollektor absorbierte thermische Solarstrahlung ein Wärmeträger verdampft und in eine Expansionsmaschine strömt in der seine Energie in mechanische Arbeit und in einem nachgeschalteten Generator in Elektrizität umgewandelt wird. Hierbei kühlt er sich ab und kann bei geringerern Druck wieder verflüssigt und mittels einer Pumpe in den Kollektor zurück transportiert werden.
  • Um den Druck hinter der Expansionsmaschine zu minimieren und dadurch die nutzbare Druckdifferenz zu erhöhen kann mindestens ein weiterer Kreislauf zur Kühlung auch mittels Vakuumverdampfung vorgesehen werden.
  • Die funktions- und gerätetechnische Anordnung erfolgt bevorzugt in Form einer Kaskade wobei der Vakuumverdampfer des Kühlkreislaufes mit dem Kondensator des Kraftkreislaufes und der Kondensator des Kühlkreislaufes mit dem Verdampfer des Kraftkreislaufes kombiniert werden können. Es ist jedoch bei einigen Wärmeträgersubstanzen sinnvoller parallel zu arbeiten oder beide Verfahren zu mischen. Bei hermetischer Kapselung des gesamten Systems geht keine Energie verloren und der Wirkungsgrad erreicht hohe Werte.
  • Das Vakuum wird bevorzugt mittels eines Ejektors produziert, indem der Wärmeträgerdampfstrahl durch eine (Venturi) Düse gefuhrt wird deren Eingangsseite mit der Vakuumkammer verbunden ist. Der in der Düse auf hohe Geschwindigkeit beschleunigte Strahl treibt eine Turbine an und kühlt dabei so weit ab, daß der Dampf bei niederem Druck kondensiert. Durch dieses Verfahren entsteht eine innere Wärmesenke. Wird die Turbine zumindest teilweise offen in der Vakuumkammer betrieben muß das Kondensat mittels einer Rücklaufpumpe in den Verdampfer des Kraftkreislaufes transportiert werden wobei jedoch ein Teil schon vorher im Vakuum verdampft und für eine weitere Abkühlung sorgt. Die sich ergebenden Vorteile sind die innere Wärmesenke die einen Betrieb ohne externe erlaubt, die Möglichkeit die Kondensationsbedingungen durch das permanente Absaugen des Gases und damit auch der nichtkondensierten Anteile des Wärmeträ gerdampfes auf dem optimalen Niveau halten zu können und die Nutzung des Kollektors auch im Dunkeln nur mit Umweltwärme.
  • Findet beispielsweise CO2 als Wärmeträger Verwendung kann in und oder hinter der Entspannungsdüse Eis entstehen. Dieses Eis sublimiert und erhöht dadurch den Druck in der Vakuumkammer. Durch die Verbindung der Vakuumkammer mit dem Ejektor wird das freigesetzte Gas (CO2) abgesaugt, in die Expansionsmaschine geführt und den Kondensationsbedingungen erneut ausgesetzt.
  • Um den Effekt der (Trocken) Eisbildung in und hinter der Entspannungsdüse zu minimieren ist die Durchlaufmenge regelbar. Hilfsweise kann die Düse oder und ein nachgeordnetes Sieb oder Gitter auch beheizt werden. Die Eintrittsöffnung der Expansionsmaschine ist durch Sieb oder Gitter vor dem Eindringen von Eis geschützt. Das Eis wird mittels einer Eispumpe in den Verdampfer transportiert. Das kann kontinuierlich oder diskontinuierlich geschehen. Wird das Eis nicht direkt in den Verdampfer des Kraftkreislaufes sondern in eine davor angeordnete Kammer befördert, kann diese zusätzlich als Kältequelle und für Klimatisierung oder als externe Wärmesenke genutzt werden. Dadurch wird die Leistung des Kollektors erhöht. Bypaßschaltungen ermöglichen die Umgehung von einem oder mehreren Kreisläufen oder Teilen davon. Der Kollektor funktioniert auch in völliger Dunkelheit und unter oder in Flüssigkeiten.
  • Der (Haupt) Verdampfer besteht vorzugsweise aus einem nicht reflektierenden, druckfesten Hohlkörper ohne Isolierung und Abdeckung. Wenn es die Betriebsbedingungen oder Aufstellorte verlangen können auch Isolierung, Abdeckung und Wärmeleit- oder und -sammelelemente verwendet werden. Sensoren erfassen Temperaturen und Drücke der verschiedenen Stationen der jeweiligen Kreisläufe und steuern mit diesen Werten unter anderem den Zeitpunkt der Düsenöffnung, die Durchlaufmenge, die Beheizung, Pumpvorgänge, den Eistransport, Ventile und Bypaßfunktionen. Um den Wärmedurchgang in Verdampfer oder und Kondensator zu begünstigen ist eine eishemmende Oberflächenbeschichtung bzw. eine Enteisungsvorrichtung vorgesehen. Bei Inbetriebnahme ist es hilfreich die Kondensationsbedingungen zu beeinflussen und dadurch das Anlaufverhalten zu begünstigen. Dazu gehört auch die Möglichkeit die Schaltwerte der Drücke in Kondensator und Verdampfer vor der Entspannungsdüse bzw. dem Turbineneintritt zu verändern . Dazu können Hilfspumpen für Vakuum und Flüssigkeit verwendet werden.
  • In Bild 1 ist das Funktionsschema eines beispielhaften Kollektors dargestellt.
  • Im Verdampfer 1, der gleichzeitig auch Absorber sein kann, wird durch Zufuhr von Wärme das sogenannte Wärmeträgerfluid verdampft . Dieser Dampf strömt in eine strahlbildende Expansionsdüse 8 und bewirkt dort einen Ejektoreffekt. In der Expansionsmaschine 4 treibt der Strahl vorzugsweise einen Turbine-Generator-Satz an. Der in der Expansionsmaschine 4 weitgehend kondensierte Dampf erreicht den Kondensator 6 und wird durch die Speisepumpe 7 in den Verdampfer gepumpt. Der Ejektor (8) saugt den nicht kondensierten Dampf aus dem Verdampfer 6 ab und führt ihn wieder der Expansionsmaschine 4 zu. Der Verdichter 2 kann im Kondensator einen Unterdruck erzeugen in dem er Wärmeträgerdampf ansaugt, verdichtet und dem Verdampfer 1 zuführt.

Claims (24)

  1. Kollektor zur Erzeugung eines Wärmeträgerdampfes mit integrierter Expansionsmaschine und elektrischem Generator zur Verstromung von thermischer Solarstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer internen Wärmesenke ausgestattet ist.
  2. Kollektor zur Erzeugung eines Wärmeträgerdampfes mit integrierter Expansionsmaschine und elektrischem Generator zur Verstromung von thermischer Solarstrahlung, dadurch gekennzeichnet , daß er mit mehreren Kreisläufen ausgestattet ist.
  3. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium im Kraftkreislauf CO2 ist.
  4. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium im Kühlkreislauf ein Kohlenwasserstoff ist.
  5. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine eine Turbine ist.
  6. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum zumindest teilweise durch den Wärmeträgerdampfstrahl bewirkt wird.
  7. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine mit mindestens einem Kondensationsraum verbunden ist.
  8. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine mit mindestens einem Vakuum verbunden ist.
  9. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Starten Hilfseinrichtungen verwendet werden.
  10. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schutzeinrichtungen gegen das Eindringen von Eis in die Expansionsmaschine vorgesehen sind.
  11. Vorrichtung und Verfahren nach vorherigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtungen beheizbar sind.
  12. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Kollektor auch im Dunkeln funktioniert.
  13. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bypßschaltung mindestens ein Kreislauf zu oder abgeschaltet werden kann.
  14. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sublimierendes Trockeneis als Kältequelle genutzt wird.
  15. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor in Flüssigkeit betrieben wird.
  16. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer aus mindestens einem druckfesten Hohlkörper besteht.
  17. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verdampfer verwendet werden.
  18. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kondensatoren verwendet werden.
  19. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuuumkammer durch eine Eispumpe mit einem Verdampfer verbunden ist.
  20. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eis in eine Vorkammer vor dem Verdampfer transportiert wird.
  21. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Vorkammer als Kältequelle genutzt wird.
  22. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutz gegen Vereisung vorgesehen ist.
  23. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen zumindest teilweise eishemmend beschichtet sind.
  24. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß.
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