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DE10228865A1 - Collector with integrated expansion machine, generator for converting thermal solar radiation into electricity has internal heat sink, uses carbon dioxide as heat carrying medium in several circuits - Google Patents

Collector with integrated expansion machine, generator for converting thermal solar radiation into electricity has internal heat sink, uses carbon dioxide as heat carrying medium in several circuits Download PDF

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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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Abstract

The collector has an integrated expansion machine (4), a generator (5) for converting thermal solar radiation into electricity and an internal heat sink. The device has several circuits and uses carbon dioxide or a hydrocarbon as the heat carrying medium in the circuits. The expansion machine is in the form of a turbine. A vacuum is at least partly caused by the heat carrying medium vapor jet.

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. For the thermal use of heat radiation In the sun, solar collectors are installed on roofs and or open spaces. There are a variety of designs what they have in common is that they all heat up a fluid medium directly or via a storage transfers its energy to a heater. you Efficiency is 80% and more. Such solar panels are described for example in the patent specification DE.

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.To produce electricity you use solar collectors based on photovoltaics These are but much more expensive and have a very poor efficiency of about 10%. In addition there is the problem that they only work in sunlight and none at night, for example electricity deliver.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Kollektoren zu entwickeln, die den hohen Wirkungsgrad der thermischen Solarkollektoren zur Elektrizitätsproduktion nutzen.The invention is based on the object of collectors to develop the high efficiency of thermal solar collectors for electricity production use.

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.According to the invention the problem is solved in that the thermal solar radiation absorbed in a solar collector a heat carrier evaporates and into an expansion machine where its energy flows in mechanical work and converted into electricity in a downstream generator becomes. This cools it turns off and can liquefy again at lower pressure and can be transported back into the collector by means of a pump.

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.To the pressure behind the expansion machine to minimize and thereby increase the usable pressure difference at least one further circuit for cooling also by means of vacuum evaporation be provided.

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.The functional and device technology The arrangement is preferably in the form of a cascade, with the vacuum evaporator of the cooling circuit with the capacitor of the power circuit and the capacitor of the Cooling circuit can be combined with the evaporator of the power circuit. It is however with some heat transfer substances it makes more sense to work in parallel or to mix both processes. at Hermetically encapsulating the entire system, no energy is lost and the efficiency reaches high values.

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.The vacuum is preferred by means of of an ejector produced by the heat carrier vapor jet through a (venturi) Nozzle led the input side is connected to the vacuum chamber. The in the nozzle A jet accelerates to high speed and drives a turbine and cools so far that the Steam condenses at low pressure. This process creates an internal heat sink. The turbine is operated at least partially open in the vacuum chamber must Condensate using a return pump are transported into the evaporator of the power circuit however, a part had previously evaporated in a vacuum and for another cooling down provides. The resulting benefits are the internal heat sink which allows operation without external, the possibility of condensation conditions through the permanent suction of the gas and thus also the uncondensed Proportions of heat transfer steam to be able to keep at the optimal level and to use the collector even in the dark only with environmental heat.

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.For example, if CO 2 is used as a heat transfer medium, ice can form in and or behind the expansion nozzle. This ice sublimes and thereby increases the pressure in the vacuum chamber. By connecting the vacuum chamber to the ejector, the released gas (CO 2 ) is sucked off, fed into the expansion machine and exposed again to the condensation conditions.

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.To the effect of (dry) ice formation in and behind the expansion nozzle the throughput can be minimized. Alternatively, the nozzle or and a downstream sieve or grid can also be heated. The inlet opening of the expansion machine is protected from the ingress of ice by a sieve or grille. The ice is transported into the evaporator by means of an ice pump. This can be done continuously or discontinuously. If the ice is not conveyed directly into the evaporator of the power circuit but into a chamber in front of it, this can also be used as a cold source and for air conditioning or as an external heat sink. This increases the performance of the collector. Bypass circuits enable one or more circuits or parts thereof to be bypassed. The collector also works in complete darkness and under or in liquids.

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.The (main) evaporator is preferably made from a non-reflective, pressure-resistant hollow body without Insulation and cover. If it is the operating conditions or installation locations can request also insulation, cover and thermal or and collecting elements are used. Sensors record temperatures and pressures of the different stations of the respective circuits and control with these values, among other things, the time of the nozzle opening, the throughput, heating, pumping, ice transport, valves and Bypaßfunktionen. To heat transfer Favoring in vaporizer or and condenser is an ice retardant Surface coating or a deicing device is provided. When commissioning it is helpful to influence the condensation conditions and thereby to favor the start-up behavior. That is part of it also the possibility the switching values of the pressures in condenser and evaporator in front of the expansion nozzle or To change turbine inlet , Auxiliary pumps can do this for vacuum and liquid be used.

In Bild 1 ist das Funktionsschema eines beispielhaften Kollektors dargestellt.In picture 1 the functional diagram of an exemplary collector is shown.

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.In the evaporator 1 , which can also be an absorber, the so-called heat transfer fluid is evaporated by supplying heat. This steam flows into a jet-forming expansion nozzle 8th and creates an ejector effect there. In the expansion machine 4 the jet preferably drives a turbine generator set. The one in the expansion machine 4 largely condensed steam reaches the condenser 6 and is through the feed pump 7 pumped into the evaporator. The ejector ( 8th ) sucks the uncondensed steam out of the evaporator 6 and leads it back to the expansion machine 4 to. The compressor 2 can create a negative pressure in the condenser by sucking in heat carrier vapor, compressing it and the evaporator 1 supplies.

Claims (24)

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.Collector for generating a heat transfer medium vapor with an integrated expansion machine and an electric generator for generation of electricity from solar thermal radiation, characterized in that it is equipped with an internal heat sink. 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.Collector for generating a heat transfer steam with integrated Expansion machine and electrical generator for generating electricity from thermal solar radiation, characterized in that it with several circuits Is provided. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium im Kraftkreislauf CO2 ist.Device and method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer medium in the power cycle is CO 2 . Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium im Kühlkreislauf ein Kohlenwasserstoff ist.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the Heat transfer medium in the cooling circuit is a hydrocarbon. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine eine Turbine ist.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the Expansion machine is a turbine. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum zumindest teilweise durch den Wärmeträgerdampfstrahl bewirkt wird.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the Vacuum is at least partially caused by the heat carrier steam jet. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine mit mindestens einem Kondensationsraum verbunden ist.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the Expansion machine connected to at least one condensation space is. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine mit mindestens einem Vakuum verbunden ist.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the Expansion machine is connected to at least one vacuum. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Starten Hilfseinrichtungen verwendet werden.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that for Start auxiliary devices are used. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schutzeinrichtungen gegen das Eindringen von Eis in die Expansionsmaschine vorgesehen sind.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that protective devices against the penetration of ice into the expansion machine are. Vorrichtung und Verfahren nach vorherigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtungen beheizbar sind.Device and method according to the preceding claim, characterized characterized that the Protective devices are heated. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Kollektor auch im Dunkeln funktioniert. Device and method according to one of the preceding claims, characterized marked that the Collector works even in the dark. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bypßschaltung mindestens ein Kreislauf zu oder abgeschaltet werden kann.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized by Bypßschaltung at least one circuit can be switched on or off. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sublimierendes Trockeneis als Kältequelle genutzt wird.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that sublimating Dry ice as a source of cold is being used. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor in Flüssigkeit betrieben wird.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the Collector in liquid is operated. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer aus mindestens einem druckfesten Hohlkörper besteht.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the Evaporator consists of at least one pressure-resistant hollow body. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verdampfer verwendet werden.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that several Evaporators are used. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kondensatoren verwendet werden.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that several Capacitors are used. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuuumkammer durch eine Eispumpe mit einem Verdampfer verbunden ist.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the Vacuum chamber connected to an evaporator by an ice pump is. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eis in eine Vorkammer vor dem Verdampfer transportiert wird.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the Ice is transported to a pre-chamber before the evaporator. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Vorkammer als Kältequelle genutzt wird.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that at least an antechamber as a cold source is being used. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutz gegen Vereisung vorgesehen ist. Device and method according to one of the preceding claims, characterized in that protection against icing is provided. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen zumindest teilweise eishemmend beschichtet sind.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the surfaces are at least partially coated to prevent ice. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß.Device and method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that.
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