DE19713345A1 - Solar powered electrical energy generation device - Google Patents

Solar powered electrical energy generation device

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DE19713345A1 DE1997113345 DE19713345A DE19713345A1 DE 19713345 A1 DE19713345 A1 DE 19713345A1 DE 1997113345 DE1997113345 DE 1997113345 DE 19713345 A DE19713345 A DE 19713345A DE 19713345 A1 DE19713345 A1 DE 19713345A1
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Abstract

The device converts the heat energy provided by a solar collector (1) into electrical energy, with the temperature of the working medium at the exit from the solar collector field detected via a sensor (10) and combined with the pressure of the working medium, for regulating the overheating of the working medium via an expansion organ (9) supplying the working medium to the solar collector. The working medium vapour within the solar collector is expanded via a drive machine (3) before condensation in a heat exchanger (2), for return to the solar collector via a pump (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie, wie sie in Solarkollektoren entsteht, in elektrische Energie. Mit dieser Vorrichtung wird ein Teil der durch Solarkollektoren absorbierten Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt.The invention relates to a device for converting thermal energy, as in Solar panels are created in electrical energy. With this device, part of the radiation energy absorbed by solar collectors is converted into electrical energy.

Stand der TechnikState of the art

Heutige thermische Systeme zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Solarenergie arbeiten mit konzentrierenden Kollektorsystemen (Parabolspiegeln, Turmsystemen). Wirtschaftlich wird in unseren Breiten (Deutschland) der Erzeugung von elektrischer Energie durch Photovoltaik Vorrang gegeben. Solarkollektoren (Flach- und Vakuumröhren­ kollektoren) wie sie derzeit im Handel sind, werden lediglich zur Wärmegewinnung eingesetzt.Today's thermal systems for the generation of electrical energy from solar energy work with concentrating collector systems (parabolic mirrors, tower systems). In our latitudes (Germany), the production of electrical energy is becoming economical given priority by photovoltaics. Solar collectors (flat and vacuum tubes collectors), as they are currently on the market, are only used to generate heat used.

Aufgabetask

Hier setzt die Erfindung an. Es soll eine Vorrichtung geschaffen werden, welche wirtschaftlich auch in unseren Breiten Solarenergie zur Stromerzeugung aus thermischen Systemen nutzbar macht. Dabei wird ein Anteil der in den Kollektoren erzeugten Wärmeenergie in Form von elektrischer Energie zur Verfügung gestellt. Als Kollektoren kommen die derzeit auf dem Markt erhältlichen Flach- und Vakuumröhrenkollektoren in Frage. Allerdings sind sie für die erforderlichen höheren Drücke auszulegen.This is where the invention comes in. A device is to be created which is economical also in our latitude solar energy for the generation of electricity from thermal systems makes usable. A portion of the thermal energy generated in the collectors is in Form of electrical energy provided. They are currently coming as collectors Flat and vacuum tube collectors available on the market. However, they are to be designed for the required higher pressures.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
According to the invention, the object is achieved by

  • a) daß in die Solarkollektoren an einem Anschluß ein Arbeitsstoff durch ein Expansionsorgan zugeführt wird,a) that in the solar collectors at one connection a working fluid through an expansion device is fed
  • b) daß die Temperatur des Arbeitsstoffes am Ausgang des Solarkollektorenfeldes erfaßt wird,b) that the temperature of the working substance is detected at the exit of the solar collector field becomes,
  • c) daß Temperatur und Druck des Arbeitsstoffs zur Regelung der Überhitzung des Arbeitsstoffes durch das Expansionsorgan verwendet werden,c) that temperature and pressure of the working fluid to regulate the overheating of the Working material are used by the expansion organ,
  • d) daß der in den Kollektoren entstehende Dampf des Arbeitsstoffes über eine Antriebsmaschine expandiert wird,d) that the vapor of the working fluid generated in the collectors via a Engine is expanded,
  • e) daß der Arbeitsstoff in einem Wärmetauscher kondensiert wird,e) that the working fluid is condensed in a heat exchanger,
  • f) daß durch ein Medium auf der Sekundärseite des Wärmetauschers die Wärme abgeführt wird,f) that the heat is dissipated through a medium on the secondary side of the heat exchanger becomes,
  • g) daß der Arbeitsstoff durch eine Pumpe in die Solarkollektoren zurückgefördert wird.g) that the working fluid is returned to the solar collectors by a pump.

Die Wärmeenergie aus handelsüblichen Solarkollektoren steht in unseren Breiten und durch die Bauart bedingt meist in einem Temperaturbereich von 40°C bis 200°C zur Verfügung.The thermal energy from commercially available solar collectors stands in our latitudes and through the design usually requires a temperature range of 40 ° C to 200 ° C.

Zum Antrieb der Vorrichtung ist die Kondensation des Arbeitsmittels und damit das Abführen der Wärmeenergie durch den Wärmetauscher erforderlich. Dies kann durch eine Gebäudeheizung oder eine Warmwasserbereitung erfolgen. Ist ein Wärmebedarf nicht vorhanden, kann die Wärme über einen luftgekühlten Verflüssiger wie er zum Beispiel in der Kältetechnik bekannt ist abgegeben werden.To drive the device is the condensation of the working fluid and thus the removal the heat energy required by the heat exchanger. This can be done through a Building heating or hot water preparation. Is not a heat requirement available, the heat can be transferred to an air-cooled condenser such as that in the Refrigeration technology is known to be given.

Um eine vollständige Verdampfung des Arbeitsmittels zu gewährleisten und damit die Antriebsmaschine zu schützen, wird die Überhitzung des Arbeitsmittels durch ein Expansionsventil geregelt, welches auf Druck- bzw. Temperaturänderungen am Ausgang der Solarkollektoren reagiert. Auch diese Technik der Verdampfungsregelung in den Solarkollektoren ist hinlänglich aus der Kältetechnik bekannt. Die dort verwendeten Expansionsventile können mit kleineren Änderungen direkt für diese Zwecke eingesetzt werden.To ensure complete evaporation of the work equipment and thus the To protect the drive machine, the overheating of the working fluid is prevented Expansion valve controlled, which on pressure or temperature changes at the outlet the solar panels responded. This technique of evaporation control in the Solar collectors are well known from refrigeration technology. The used there Expansion valves can be used directly for these purposes with minor changes will.

Es ist vorteilhaft, die Antriebsmaschine, den Generator und die Pumpe auf einer Welle zu betreiben. Dies erfordert zwar eine genaue Anpassung dieser Komponenten aufeinander, es vereinfacht aber den Aufbau der Vorrichtung und spart den Antriebsmotor für die Pumpe ein. Somit entfallen Umwandlungsverluste zum Antrieb der Pumpe, was die Stromausbeute vor allem bei Geräten mit kleiner Leistung erhöht. Zur Expansion der Gasen können die üblichen Kolben- oder Lamellenmaschinen verwendet werden, ebenso kommt eine Turbinen als Antriebsmaschine in Betracht. Als Pumpe ist die Verwendung von Kolbenmaschinen sinnvoll, da so die notwendigen höheren Drücke leicht erreicht werden können.It is advantageous to drive the generator, generator and pump on one shaft operate. Although this requires a precise adaptation of these components to one another, it but simplifies the structure of the device and saves the drive motor for the pump. This eliminates conversion losses for driving the pump, which results in the current yield especially for devices with low power. The usual way to expand the gases Piston or vane machines are used, as does a turbine Drive machine into consideration. Piston machines are used as pumps sensible, since the necessary higher pressures can be easily reached.

Für einen Selbstanlauf der Vorrichtung ist es sinnvoll, vor der Antriebsmaschine ein Magnetventil und nach der Pumpe ein Rückschlagventil einzubauen. Zum Abschalten der Vorrichtung wird das Magnetventil geschlossen. Dadurch bleibt der Druck in den Kollektoren bei genügender Sonneneinstrahlung erhalten. Beim Start werden die Pumpen bzw., Lüfter des Kühlkreislauf in Gang gesetzt. Nach einem gewissen Zeitraum, wenn sich das Temperaturgefälle zwischen Kollektoren und Wärmetauscher eingestellt hat, kann das Magnetventil geöffnet werden. Der vorhandene Druck in den Kollektoren genügt dann im allgemeinen zum Systemanlauf. Anschließend kann der Generator belastet werden um elektrische Energie abzunehmen.For a self-start of the device, it makes sense to put one in front of the drive machine Install the solenoid valve and a check valve after the pump. To switch off the The device closes the solenoid valve. This keeps the pressure in the collectors preserved with sufficient sun exposure. At the start the pumps or, fans of the cooling circuit started. After a period of time, if that Temperature difference between collectors and heat exchanger can do that Solenoid valve can be opened. The existing pressure in the collectors is then sufficient general for system start-up. The generator can then be loaded around to take off electrical energy.

Durch Temperaturfühler auf den Kollektoren, im Wärmespeicher und am Wärmetauscherausgang kann die Regelung der Anlage erfolgen. So muß z. B. über die Temperaturdifferenz zwischen Kollektoren und Wärmespeicher die Anlage an- bzw. ausgeschaltet werden. Ist der Wärmespeicher voll, so kann die notwendige Wärmeabfuhr zusätzlich über den Luftgekühlten-Verflüssiger erfolgen, der bei Bedarf nachgeschaltet wird.With temperature sensors on the collectors, in the heat accumulator and on The heat exchanger outlet can be used to regulate the system. So z. B. about the Temperature difference between collectors and heat accumulator turned off. If the heat storage is full, the necessary heat dissipation can additionally via the air-cooled condenser, which can be connected afterwards if necessary.

Als Arbeitsstoff kommen vor allem die in der Kältetechnik verwendeten Stoffe zur Anwendung. Allerdings lassen sich durch Kältemittel, die einen höheren Druck entwickeln, höhere Stromausbeuten erreichen. So beträgt der Druck bei einem Kreislauf mit Butan bei Temperaturen von 90°C vor der Expansion ca. 10 bar, bei Kohlendioxid (R744) würde er in etwa 250 bar betragen. In Frage kommen natürlich auch die üblicheren Kältemittel (R22, R23, R502, R134a, . . .). The materials used in refrigeration technology are the main working materials Application. However, refrigerants that develop a higher pressure can achieve higher current yields. So the pressure in a cycle with butane is Temperatures of 90 ° C before expansion about 10 bar, with carbon dioxide (R744) it would in be about 250 bar. Of course, the more common refrigerants (R22, R23, R502, R134a,. . .).  

Anhand eines h-, p-log-Diagramms, wie es in der Kältetechnik verwendet wird, kann sehr einfach, der theoretische Wirkungsgrad des Kreisprozesses bei den einzelnen Kältemitteln ermittelt werden. Dies erfolgt durch einen Vergleich, der bei der Expansion in kinetische Energie wandelbaren Enthalpie (Isentrope), mit der bei der Kondensation abgegebenen Enthalpie (Isobare). Hohe Stromausbeuten werden dann erreicht, wenn die kinetisch nutzbare Enthalpie bei der Expansion im Gegensatz zur Enthalpie bei der Kondensation sehr groß ist. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Kondensation des Kältemittels möglichst nahe am kritischen Punkt erfolgt.Using an h, p-log diagram, as used in refrigeration, can be very helpful simple, the theoretical efficiency of the cycle with the individual refrigerants be determined. This is done by comparing the expansion into kinetic Energy convertible enthalpy (isentrope), with that given off during the condensation Enthalpy (isobars). High current yields are achieved when the kinetic usable enthalpy during expansion in contrast to enthalpy during condensation very much is great. This is especially the case if the refrigerant condenses as much as possible close to the critical point.

Um die Stromausbeute des Systems zu erhöhen, kann es sinnvoll sein, eine Unterkühlung des Arbeitsmittels im Kondensator durch einen Vorwärmer aufzuheben. Dies kann durch einen Wärmetauscher erfolgen, der mit einer Seite zwischen Antriebsmaschine und Kondensator, mit der anderen Seite zwischen Pumpe und Expansionsventil eingebunden ist. Allerdings sind wegen der entstehenden höheren Kosten hier auch wirtschaftliche Gesichtspunkte abzuwägen.In order to increase the current efficiency of the system, it can be useful to subcool of the working fluid in the condenser by means of a preheater. This can be done by a heat exchanger done with one side between the engine and Condenser, with the other side between the pump and expansion valve. However, due to the higher costs involved, there are also economic ones To weigh up aspects.

Vorteileadvantages

Die Vorrichtung erlaubt die Erzeugung von elektrischer Energie bei einem relativ geringen Temperaturniveau. Dadurch kann Wärmeenergie wie sie in handelsüblichen Solarkollektoren erzeugt wird in elektrische Energie verwandelt werden. Weiterhin kann neben der elektrischen Energie wie bei der Photovoltaik bei vergleichbaren Wirkungsgraden auch die Wärmeenergie aus den Kollektoren genutzt werden.The device allows the generation of electrical energy at a relatively low level Temperature level. This allows thermal energy to be generated in commercially available solar collectors generated will be transformed into electrical energy. In addition to the electrical energy as with photovoltaics with comparable efficiency Thermal energy from the collectors can be used.

Im folgenden wird eine Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.In the following, an embodiment of the invention with reference to drawings explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie aus Kollektoren in elektrische Energie. Fig. 1 device for converting thermal energy from collectors into electrical energy.

Die Vorrichtung besteht aus Solarkollektoren 1 in denen das Arbeitsmittel verdampft wird, einem Wärmetauscher 2 indem das Arbeitsmittel kondensiert wird, in einer Antriebsmaschine 3 wird das Arbeitsmittel entspannt dadurch wird der Generator 4 angetrieben. Das Expansionsorgan 9 dient zum Zerstäuben des Arbeitsmittels, über den Fühler 10 wird der Arbeitsmittelstrom in die Kollektoren geregelt. Das Arbeitsmittel wird durch die Pumpe 6 auf ein höheres Druckniveau gebracht, der Behälter 11 sorgt für ein konstantes Druckniveau. Das Rückschlagventil 8 und das Magnetventil 7 sind für den Selbstanlauf des Systems erforderlich. Der Behälter 5 dient zum Speichern der anfallenden Wärmeenergie, über zusätzliche Wärmetauscher in dem Speicher sowie ein Zu- bzw. Abfluß kann die Wärmeenergie entnommen werden. Weiterhin besteht die Anlage aus einem luftgekühlten Verflüssiger 13 der bei vollem Wärmespeicher 5 für die notwendige Abfuhr der Wärmeenergie sorgt, dies wird von der Steuerung der Anlage durch Öffnen von Magnetventil 14 und Schließen von Magnetventil 15 ermöglicht. Weiterhin ist es sinnvoll Turbine 3, Generator 4 und Pumpe 6 in einem druckstabilen Behälter 16 unterzubringen, allerdings muß dabei die Wärme des Generators 4 über einen integrierten Wärmetauscher 17 abgeführt werden. Dies kann mit dem kondensierten Arbeitsmittel erfolgen.The device consists of solar collectors 1 in which the working fluid is evaporated, a heat exchanger 2 in which the working fluid is condensed, in a drive machine 3 the working fluid is relaxed, thereby driving the generator 4 . The expansion element 9 is used to atomize the working fluid; the flow of working fluid into the collectors is regulated via the sensor 10 . The working fluid is brought to a higher pressure level by the pump 6 , the container 11 ensures a constant pressure level. The check valve 8 and the solenoid valve 7 are required for the system to start itself. The container 5 is used to store the heat energy generated, the heat energy can be removed via additional heat exchangers in the memory and an inflow or outflow. Furthermore, the system consists of an air-cooled condenser 13 which ensures the necessary dissipation of the thermal energy when the heat accumulator 5 is full, this is made possible by the control of the system by opening the solenoid valve 14 and closing the solenoid valve 15 . Furthermore, it makes sense to accommodate the turbine 3 , generator 4 and pump 6 in a pressure-stable container 16 , however, the heat of the generator 4 must be removed via an integrated heat exchanger 17 . This can be done with the condensed working fluid.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie aus Solarkollektoren in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß in Solarkollektoren (1) an einem Anschluß ein Arbeitsstoff durch ein Expansionsorgan (9) zugeführt wird, daß die Temperatur des Arbeitsstoffes am Ausgang des Solarkollektorenfeldes (1) durch einen Fühler (10) erfaßt wird, daß Temperatur und Druck des Arbeitsstoffs zur Regelung der Überhitzung des Arbeitsstoffes durch das Expansionsorgan (9) verwendet werden, daß der in den Kollektoren (1) entstehende Dampf des Arbeitsstoffes über eine Antriebsmaschine (3) expandiert wird, daß der Arbeitsstoff in einem Wärmetauscher (2) kondensiert wird, daß durch ein Medium auf der Sekundärseite des Wärmetauschers die Wärme abgeführt wird, daß der Arbeitsstoff durch eine Pumpe in die Solarkollektoren zurückgefördert wird.1. A device for converting thermal energy from solar collectors into electrical energy, characterized in that in solar collectors ( 1 ) at a connection a working fluid is supplied by an expansion element ( 9 ) that the temperature of the working fluid at the outlet of the solar collector field ( 1 ) by a Sensor ( 10 ) is detected that the temperature and pressure of the working fluid are used to regulate the overheating of the working fluid by the expansion element ( 9 ), that the vapor of the working fluid generated in the collectors ( 1 ) is expanded via a drive machine ( 3 ), that the working fluid is condensed in a heat exchanger ( 2 ), so that the heat is dissipated through a medium on the secondary side of the heat exchanger, and the working fluid is returned to the solar collectors by a pump. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabfuhr aus dem Arbeitsmittel bei Bedarf zusätzlich über einen luftgekühlten Verflüssiger (13) erfolgen kann.2. Device according to claim 1, characterized in that the heat dissipation from the working medium can also be carried out if necessary via an air-cooled condenser ( 13 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, daß zum Selbstanlauf des Systems ein Magnetventil (7) und ein Rückschlagsventil (8) in dem Arbeitskreislauf eingebunden sind.3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that a solenoid valve ( 7 ) and a check valve ( 8 ) are integrated in the working circuit for self-starting of the system. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebsmaschine (3), Generator (4) und Pumpe (6) auf einer Welle sitzen oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that the drive machine ( 3 ), generator ( 4 ) and pump ( 6 ) sit on a shaft or are non-positively connected. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebsmaschine (3), Generator (4) und Pumpe (6) in einem Gehäuse hermetisch dicht verschlossen sind.5. Apparatus according to claim 1 to 4, characterized in that the drive machine ( 3 ), generator ( 4 ) and pump ( 6 ) are hermetically sealed in a housing. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) durch einen integrierten Wärmetauscher (17) durch den kondensierten Arbeitsstoff gekühlt wird.6. The device according to claim 1 to 5, characterized in that the generator ( 4 ) is cooled by an integrated heat exchanger ( 17 ) by the condensed working fluid. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung zwischen Rückschlagventil (8) und Expansionsorgan (9) ein Druckausgleichsbehälter (11) integriert ist.7. The device according to claim 1 to 6, characterized in that a pressure expansion tank ( 11 ) is integrated in the line between the check valve ( 8 ) and expansion element ( 9 ).
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005121551A1 (en) * 2004-06-08 2005-12-22 International Innovations Limited Heat engine
FR2984469A1 (en) * 2011-12-16 2013-06-21 Cheikh Moncef Ben Device for producing electrical energy from solar energy, has thermal circuit for increasing temperature and pressure of fluid that circulates in conduit, and anti-return valve prohibiting return of fluid from thermal circuit

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