DE3221292A1 - Solar energy installation - Google Patents

Abstract

A solar energy installation which has a photovoltaic energy converter with a multiplicity of solar cells and has an electrochemical store for storing the electrical energy which is supplied by the energy converter and has a multiplicity of rechargeable secondary elements. In order to save costs, the secondary elements of the electrochemical store are secondary elements having air cathodes. High energy densities of the store are also achieved.

Description

Solar-Energieanlage Solar energy system

Die Erfindung betrifft eine Solar-Energieanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Verwendung einer solchen Solar-Energieanlage.The invention relates to a solar energy system according to the preamble of claim 1 and a use of such a solar energy system.

Bei solchen Solar-Energieanlagen hat man bisher meist wiederaufladbare Blei-Kalzium-Sekundärelemente, reine Blei-Sekundärelemente oder Blei-Antimon-Sekundärelemente verwendet. Derarti(e Sekundärelemente sind jedoch verhältnismäßig kostenaufwendig und haben auch relativ niedrige Energi.edichten.So far, such solar energy systems have mostly been rechargeable Lead-calcium secondary elements, pure lead secondary elements or lead-antimony secondary elements used. Such secondary elements are, however, relatively expensive and also have relatively low energy densities.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Solar-Energieanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, deren elektrochemischer Speicher bei vorbestimmter Speicherkapazität kleiner und kostergünstiger sein kann.It is an object of the invention to provide a solar energy system of the initially mentioned called type to create their electrochemical storage with a predetermined storage capacity can be smaller and cheaper.

Diese Aufgabe wird erfindunqsgemäss dadurch gelöst, dass die Sekundärelemente des elektrochemischen Speichers Sekundärelemente mit Luftkathoden sind. nan kann sie auch als Luftk-athoden-SekundUrelemente bezeichnen, Bei solchen Sekundärelementen entstammt der für die Ouftkathoden benötigte Sauerstoff aus der atmosphärischen Umgebungsluft des Speichers, so dass man für diese Luftkathoden mit geringen Kosten auskommen kann. Auch lassen sich wegen dieser Luftkathoden solche Sekundärelemente mit besonders geringem Volumen herstellen, so dass einem solchen Speicher auch besonders hohe Energiedichte gegeben werden kann. Auch ist es möglich, dem Speicher wegen der Luftkathoden relativ niedriges Gewicht zu geben. Die Kosten von bevorzugt vorgesehenen Zink-Luft-Sekundärelementen lassen sich besonders niedrig halten. Auch zeichnen sich solche Zink-Luft-Sekundärelemente durch niedrige Selbstentladung aus. Allerdings versagen Zink-Luft-Sekundärelemente normalerweise keine starken Lade- und Entladeströme. Doch kommen für die Metallele.'-troden, an denen sich die negativ geladenen Ionen abscheiden, auch andere Metalle als Zink infrage, bspw. Aluminium.According to the invention, this object is achieved in that the secondary elements of the electrochemical storage system are secondary elements with air cathodes. nan can they are also referred to as air cathode secondary elements, with such secondary elements the oxygen required for the air cathodes comes from the atmosphere Ambient air of the store, so that one can apply for these air cathodes at low cost can get along. Because of these air cathodes, such secondary elements can also be used Manufacture with a particularly small volume, so that such a memory also special high energy density can be given. It is also possible because of the memory to give the air cathodes relatively low weight. The cost of preferred provided Zinc-air secondary elements can be kept particularly low. Also draw Such zinc-air secondary elements are characterized by low self-discharge. However Zinc-air secondary elements normally do not fail with strong charging and discharging currents. But there are electrodes for the metal elements, on which the negatively charged ions deposit, metals other than zinc are also possible, e.g. aluminum.

Zink-Luft-Sekundärelemente sind an sich bekannt (DE-PS 27 o7 051). Die Erfindung sieht jedoch gezielt den Einsatz wiederaufladbarer Sekundärelemente mit Luftkathoden für Solar-Energieanlagen vor, da hierdurch erhebliche Kosten für den Speicher eingespart werden und der Speicher wegen den möglichen hohen Energiedichten auch relativ geringes Volumen und Gewicht erhalten kann.Zinc-air secondary elements are known per se (DE-PS 27 07 051). However, the invention specifically provides for the use of rechargeable secondary elements with air cathodes for solar energy systems, as this creates considerable costs for the memory can be saved and the memory because of the possible high energy densities can also obtain relatively low volume and weight.

Da Luftkathoden-Sekundärelemente keine starken Lade- und Entladeströme vertragen, ist die erfindungsgemäße Solar-Energieanlage insbesondere für Anwendungsgebiete vorgesehen, bei dennen der elektrochemische Speicher im Verhältnis zur maximalen Leistung des Energiewandlers große Speicherkapazität hat, so daß die Ladeströme der Luftkathoden-Sekundärelemente selbst bei maximaler Leistungsabgabe des Energiewandlers noch in relativ niedrigen Grenzen bleiben, und bei denen die Entladeströme des elektrochemischen Speichers ferner ebenfalls relativ niedrig sind. Solche Anwendungsgebiete sind bevorzugt Heizungsanlagen für Gebäude und/oder die Speisung von Energieverbrauchern, die keine Stoßbelastungen verursachen, beispielsweise die Speisung von in Haushalten, Büros oder dergleichen befindlichen elektrischen Geräten relativ niedrigen Stromverbrauchs, wie Beleuchtung, Klingelanlagen, Telefon anlagen, Fernsehgeräten, Radios, Diktiergeräte, elektrische Schreibmaschine, Kühlschranke usw.Since air cathode secondary elements do not have strong charging and discharging currents tolerated, is the solar energy system according to the invention in particular intended for areas of application where the electrochemical storage is in proportion has large storage capacity for maximum performance of the energy converter, so that the Charging currents of the air cathode secondary elements even with maximum power output of the energy converter still remain within relatively low limits, and where the Discharge currents of the electrochemical store are also relatively low. Such areas of application are preferably heating systems for buildings and / or the Feeding energy consumers that do not cause shock loads, for example the supply of electrical ones located in households, offices or the like Relatively low power consumption devices such as lighting, doorbell systems, telephones systems, televisions, radios, dictation machines, electric typewriters, refrigerators etc.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Solar-Energieanlage für Heizungen von Gebäuden und/oder zur Erwärmung von Brauchwasser. Hier kann mit Vorteil vorgesehen seir, daf der elektrochemische Speicher den Speisestrom für den elektrischen Antriebsmotor mindestens einer Kompressionswärmepumpe liefern kann, deren Elektromotor bzw. -motoren also durch den elektrochemischen Speicher cespeist werden können.The solar energy system according to the invention is particularly advantageous for heating buildings and / or for heating domestic water. Here can with Advantage provided that the electrochemical storage device provides the feed current for the can supply an electric drive motor to at least one compression heat pump, whose electric motor or motors are fed through the electrochemical storage system can be.

Eine solche Kompressionswärmepumpe hat eine Leistungs ziffer von im allgemeinen ca. 2 bis 3, so daß die im elektrochemischen Speicher gespeicherte Energie mittels der Wärmepumpe in die ca. 2- bis 3-fache Heizenergle zum Beheizen des betrefffende Gebäudes bzw. des Erwärmens von Brauchwasser umgesetzt wird. Infolge der geringen Selbstenladung der Luftkathoden-Sekundärelemente, welche in der Grössenordnung von höchstens wenigen Prozent/Jahr liegt, kann eine solche Solar-Energieanlage für ein Heizungssystem so eingesetzt werden, dass ihr elektrochemischer Speicher jeweils in der Zwischznperiode zwischen zwei Heizperioden über mehrere Monat hinweg aufgeladen wird, d.h. dass seine Speicherkapazität so gross vorgesehen wird, um in Verbindung mit der Wärmepumpe den für die Heizung benötigten EnergiebeSarf des betreffenden Gebäudes, der betreffenden Wolnungseinheit oder dergleichen allein zu liefern. Der Speicher kann also vorzugsweise so gross dimensioniert sein, dass die Heizung auch für Extremsituationen keine zusätzliche Energiequelle (z.B. einen befeuerten Kessel) benötigt.Such a compression heat pump has a performance figure of im generally about 2 to 3, so that the energy stored in the electrochemical storage by means of the heat pump into the approx. 2 to 3-fold heating energy for heating the relevant Building or Heating of domestic water is implemented. As a result the low self-charging of the air cathode secondary elements, which is of the order of magnitude of a few percent / year at most, such a solar energy system can be used for a heating system can be used so that their electrochemical storage charged in the interim between two heating seasons for several months , i.e. that its storage capacity is made large enough to be able to connect with the heat pump, the energy requirements of the relevant one for heating To deliver the building, the relevant warning unit or the like alone. Of the The memory can therefore preferably be dimensioned so large that the heating also no additional energy source for extreme situations (e.g. a fired boiler) needed.

Sekundärelemewte mit Luftkathoden können im Vergleich zu anderen Sesundärelementen nicht mit hohen Energieflüssen geladen und entladen werden und sind deshalb für Anwendungzn (z.B. Starterbatterien), die kurzzeitiges starkes Entladen und Aufladen erfordern, nicht geeignet. Die Kombination"Luftkathoden-Sekundärelemente Bufweisender SpeicHffl mit fotovoltaischem Energiewandler erlaubt jedoch für Heizungsanlagen während der heizfreien Jahreseriode ein verhältnismässiges langsames Aufladen des Speichers und Bereitstellen - ohne grosse Selbstentladu:lgsverluste - dieser gespeicherten Energie für die HeizpEriode. In Kombination mit einer Wärmepumpe wird eile solche Heizung besonders wirtschaftlich.Secondary elements with air cathodes can be compared to other secondary elements are not charged and discharged with high energy flows and are therefore for Applications (e.g. starter batteries) that require short-term heavy discharging and charging require, not suitable. The combination of "air cathode secondary elements Bufweisender However, storage with photovoltaic energy converters is permitted for heating systems relatively slow charging of the Storage and provision - without large losses of self-discharge - these stored Energy for the heating period. In combination with a heat pump, it will be a hurry Heating particularly economical.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Solar-Energieanlage mit einer von ihr mit elektrischem Strom belieferten Heizungsanlage eines Gebäudes, Fig. 2 ein Schaltbild einer einfachen Ausführungsfom eiler Lade- und Entladeschaltung.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. 1 shows an exemplary embodiment of a solar energy system according to the invention with a building's heating system supplied with electricity, Fig. 2 is a circuit diagram of a simple embodiment of a charging and discharging circuit.

Mit 10 ist ein sogenanntes 'Solar-Dach" bezeichnet, das auf dem Dach eines nich näher dargestellten Gebäudes angeordnet ist und bei Sonnzneinstrahlung mit Sonnenlicht beaufschlag: wird und aus einer Vielzahl von Solarzellen besteht, die zusammen einen photovoltaischen Energiewandler bilden. Dieser Energie-10 mittels Leitungen 25,26 wandler /ist/ über eine lade- und Entladeschaltung 11 an einen elektrochemischer Speicher 12 rngeschlossen, der erfindungsgemäß auc einer Vielzahl von Luftkathoden-Sekundärelementen besteht. ter Speicher 12 bildet einen qrossen Akkumulator. Er kann luch aus mehreren Akkumulatoren gebildet sein, mittels der Leitung 24 Die Lade- und Entladeschalttng 11 is- ferner/an einen statischen Wechselrichter 1 angeschlossen, der dem Speisen des elektrischen Antriebsmotors einer Kompressionswärmepumpe 14 dient. Diese Wärmepumpe 14 dient dem Beheizen von sie @ durchströmenden Heizmedium, beispielsweise Wasser, das mittels einer Umwälzpumpe 15 in einem Wärmetauscher 19 und einen Brauchwasserbereiter 16 aufweisencen Heizk:-eis 17 umgewälzt wird. Die Wärmetauscher 19 dienen deIl Beheizen von Räumen des Gebäudes, auf dessen Dach der photovoltaische Energiewandler 10 angec:dnet ist. Die Lade-und Entladeschaltung 11 kann i@ ircendeiner geeigneten Weise ausgebildet sein, um dei von Energiesandler 10 gelieferten Strom in die Luftkathoden-Sekundarelemente des Speichers 12 mit erforderlicher Spannung und mit zulässigen St:omstärken zu deren Laden einzuspeisen.With a so-called 'solar roof' is referred to, which is on the roof of a building not shown in detail is arranged and with sunshine exposed to sunlight: is and consists of a large number of solar cells, which together form a photovoltaic energy converter. This energy-10 means Lines 25, 26 converter / is / via a charging and discharging circuit 11 to an electrochemical Storage 12 enclosed which, according to the invention, also includes a large number of air cathode secondary elements consists. The memory 12 forms a large accumulator. He can choose from several Accumulators be formed by means of the line 24 Die Laden- und Entladeschalttng 11 is also connected to a static inverter 1, which is used to feed of the electric drive motor of a compression heat pump 14 is used. This heat pump 14 is used to heat the heating medium flowing through it, for example water, by means of a circulation pump 15 in a heat exchanger 19 and a water heater 16 have Heizk: ice 17 is circulated. The heat exchangers 19 are used for heating of rooms in the building on whose roof the photovoltaic energy converter 10 is angec: dnet is. The charging and discharging circuit 11 can be formed in a suitable manner be to the current supplied by energy converter 10 in the air cathode secondary elements of Memory 12 with the required voltage and with permissible current strengths to their Feed.

Vorzugsweise tann die Schaltung 11 Strombegrenzer für Lade- und Entladeströme aufweisen, also sowohl 12 für den dem Speicher /zugelieferten Strom als auch 12 für den aus dem Speicher /entnommenen, dem statischen Wechselrichte- 13 zugeleiteten Strom, um einerseits zu starke Ladeströme zu verhindern und andererseits im Falle eine.; Kurzschlusses oder einer sonstigen Störung des WEchselrichters 13 die Entnahme unzulässig hoher Ströme aus der Sekundärelementen zu verhindern.The circuit 11 is preferably a current limiter for charging and discharging currents have, i.e. both 12 for the electricity supplied to the storage unit / and 12 for the one taken from the storage unit / fed to the static inverter 13 Electricity, on the one hand to prevent excessive charging currents and on the other hand in the event of a problem one.; Short circuit or any other malfunction of the inverter 13 the removal to prevent impermissibly high currents from the secondary elements.

Bezüglich der Kapazität de Speichers 12 sei ein Ausführungsbe spiel gebracht. Ein mittleres Einfamilienhaus benötigt in mäßigen Klimazonen, wie in Deutschland, während einer Heizperiode zu seiner Beheizung beispielsweise maximal ca. 20.000 Kilowatt-Stunden (kWh). Die Wärmepumpe 14 habe eine Leistungsziffer von ca. 3. Der elektrochemische Speicher 12 benötigt dann eine Kapazität von ca. 6000 bis 7000 kWh, wobei er zu Beginn einer Heizperiode im wesentlichen voll geladen und am Ende der Heizperiode wieder weitgehend entladen ist uncldana-h bis zur nächsten Heizperiode wieder im wesentlichen voll gelassen wird.Regarding the capacity of the memory 12 is a game Ausführungsbe brought. A medium-sized single-family house needs in moderate climatic zones, as in Germany, during a heating season for its heating, for example, a maximum of approx. 20,000 Kilowatt hours (kWh). The heat pump 14 has a coefficient of performance of approx. 3. The electrochemical storage 12 then requires a capacity of approximately 6000 to 7000 kWh, whereby it is essentially fully charged at the beginning of a heating season and at the end the heating season is largely discharged again is uncldana-h until the next heating season is left essentially full again.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer einfachen 11 Lade- und Entladeschaltung /dargestellt. Der Energiewandler 10 ist an den elektrochemischen Speicher 12 über eine Sperrdiode 20 und einen Strombegrenzer 21 angeschlossen. Entladen wird der Speicher 12 über einen Strombegrenze 22 und eine Diode 23. Die Sperrdiode 20 dient dazu, daß der Speicher 12 nicht über Solarzellen des Energiewandlers 10 entladen werten kann.In Fig. 2 is an embodiment of a simple 11 loading and Discharge circuit / shown. The energy converter 10 is to the electrochemical Memory 12 connected via a blocking diode 20 and a current limiter 21. Unloading the memory 12 is via a current limit 22 and a diode 23. The blocking diode 20 serves to ensure that the memory 12 does not have solar cells of the energy converter 10 can evaluate discharged.

Zu dem vorangehend gebrachten Beispiel der Kapazität des Speichers 12 sei noch erwähnt, dass die Solar-Energieanlage auch während der Heizperiode Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt, die je nach den momentanen Umständen ganz oder teilsweise im Speicher 12 gespeichert oder auch direkt als Strom zur Speisung des Elektromotors der Wärmepumpe mit eingesetzt werden kann.To the example given above, the capacity of the memory 12 it should be mentioned that the solar energy system also uses solar energy during the heating season converts into electrical energy, which depending on the current circumstances wholly or partially stored in memory 12 or directly as a current to feed the The heat pump's electric motor can also be used.

Es sei noch darauf hincrewiesen, daß die Luftkathoden bei einem Akkumulator an dessen äußeren positiven Pol und die Metallelektroden der Sekundärelemente entscrechend an dessen deren negativen Pol angeschlossen sind.It should also be pointed out that the air cathodes in an accumulator at its outer positive pole and the metal electrodes of the secondary elements to whose negative pole are connected.

Man kann solche Sekundärelemente mit Luftkathoden (Luftelektroden) und Metallelektroden auch als Metall-Luft-Sekundärelemente bezeichnen. Für die Metallelektroden kommen z, B, Zink, Aluminium, Magnesium und auch noch andere Metalle infrage, kiese Metallelektroden können vollständig aus Metall bestehen oder das betreffende Metall enthalten.One can such secondary elements with air cathodes (air electrodes) and metal electrodes also refer to as metal-air secondary elements. For the metal electrodes Z, B, zinc, aluminum, magnesium and also other metals are possible, pebbles Metal electrodes can consist entirely of metal or the metal in question contain.

Claims (4)

Pat entar sprüche Solar-Energieanlage, welche einen photovoltaischen Energiewandler mit eine: Vielzahl von Solarzellen und einen wiederaufladbaren elektrochemischen Speicher mit Sekundärelementen zum Speichern der vom Enrgiewandler gelieferten elektrischen Energie aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Sekundärelemente des elektrochemischen Speichers (12) Sekundärelemente mit Luftkathoden sind. Pat entary claims solar energy system, which has a photovoltaic Energy converter with a: variety of solar cells and a rechargeable electrochemical Storage with secondary elements for storing the electrical energy supplied by the energy converter Has energy, that is, that the secondary elements of the electrochemical storage device (12) are secondary elements with air cathodes. 2. Solar-Energleanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Speicher Strombegrenzer (21,22) zum Begrenzen des Lade- und des Entladestromes zugeordnet sind.2. Solar energy system according to claim 1, characterized in that the memory current limiter (21,22) for limiting the charging and discharging currents assigned. 3. Verwendung einer So Lar-Energieanlage nach Anspruch 1 oder 2 zum Speisen des e:ektrischen-Antriebsmotors mindestens einer Kompressionswärmepumpe einer Anlage zum Beheizen von Gebäuderäumen und/oder zur Erwärmung von B:--auchwasser.3. Use of a So Lar energy system according to claim 1 or 2 for Feeding the electric drive motor of at least one compression heat pump a system for heating building rooms and / or for heating B: - also water. 4.Solar-Energieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärelemente des Speichers Zink-Luft-Sekundärelemente sind. 4. Solar energy system according to claim 1 or 2, characterized in that that the secondary elements of the memory are zinc-air secondary elements.