WO2007147186A2 - Wärmepumpensolaranlage - Google Patents

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WO2007147186A2
WO2007147186A2 PCT/AT2007/000299 AT2007000299W WO2007147186A2 WO 2007147186 A2 WO2007147186 A2 WO 2007147186A2 AT 2007000299 W AT2007000299 W AT 2007000299W WO 2007147186 A2 WO2007147186 A2 WO 2007147186A2
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Herbert Karlsreiter
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Herbert Karlsreiter
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    • F01C1/3442—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member the inner and outer member being in contact along one line or continuous surface substantially parallel to the axis of rotation the surfaces of the inner and outer member, forming the working space, being surfaces of revolution
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    • F25B1/04—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of rotary type
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    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/14—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant
    • F25B2400/141—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant the extracted power is not recycled back in the refrigerant circuit

Definitions

  • the subject invention is a heat pump solar system on the one hand on the principle of a conventional solar system in Umicalz counsel and the other in can operate with a variable temperature lift with flow-controlled machines, in which a medium having preferably low boiling point instead of the usual water / Frostschuts-Gsniiech ⁇ s circulated in Sy ⁇ tcm and the circulating device is designed as a compressor, which can be compared to the heat consumer a temperature increase can be achieved and instead of conventional throttle a machine with a mechanical flow rate control or electronic speed control is integrated to reduce the kinetic energy,
  • a solar energy recovery system in which in addition to an expansion valve in parallel, a circulation pump is provided and pciXdllel to the compressor a check valve is arranged and is changed by switching the groups of operation.
  • the subject invention is preferably designed so that two machines with a variable ⁇ ng directly with each other via a drive (timing belt, gear, other) or with, connected shafts are driven or made so that they are housed directly together in a common housing and are driven by a common drive shaft.
  • Verdichtungatik in which the flow rates between the two machines is changed with the function of compression and expansion to each other.
  • the flow rate at the machine, which compresses the medium is increased or kept equal and the flow rate at the machine in reduced or kept the same, which expands the medium
  • thermal energy is supplied and compressed by a compressor as needed, whereby the temperature can be raised.
  • This energy is delivered via a heat exchanger to a consumer, such as a hot water tank.
  • the required resistance to pressure and temperature increase causes in contrast to conventional heat pumps instead of a throttle machine, with lower volume production than the compressor.
  • the mechanical energy delivered by the flow rate reduction machine can be transferred directly back to the compressor via a common mechanical drive.
  • the system can also be used to obtain mechanical energy by converting the thermal energy into mechanical energy.
  • the machine which compresses the medium can be designed as an expansion machine with the same flow direction.
  • the second machine assumes the function of a return device or feed pump for a medium with a low boiling point.
  • both machines compression and expansion are set so that no temperature swing occurs. This may be the case if sufficiently high absorber temperatures are available to reach the required temperature at the heat consumer sv ⁇ , and ⁇ in ⁇ circulation of the medium in the circuit is sufficient to transfer the energy from the absorber to the heat consumer.
  • a temperature increase is necessary r can increase the resistance at the machine after the energy consumer, whereby the machine has to do more work in front of the energy consumer and by the compression of the preferably gaseous medium, a temperature swing can be achieved.
  • collectors can be integrated in the system, via which the liquid can be separated before the compressor.
  • the solar collector or parts of the solar collector can also be designed so that the energy of the circulating air is ensured by a good heat transfer to the absorber or by additional heat exchangers on the absorber.
  • the Sonnftnk-oü lector can be constructed in one of the possible embodiments, that the basic structure of which is a conventional solar panel with transparent cover, absorber surface and a tub, which is preferably only slightly or not thermally insulated.
  • the absorber surface is formed as a rear wall of the solar collector, which may be constructed from a yr Hughesereii mass of ceramic octer other suitable materials, whereby a good cherriesspeichsxung should be ensured at low temperature jumps.
  • the relaxation energy can be dissipated via the common drive.
  • variable 7.e1.1 ⁇ > nnnascM ne be transferred to the compression of the medium.
  • the energy increase in the form of electrical energy to provide the energy at the energy consumer compared to conventional Elektroloomein algorithmsn can be reduced by the multiple times by the temperature increase.
  • the absorber can be operated at lower temperatures, the thermal Ve mlubLe dm soimenkollektor can be reduced, especially in flat-plate collectors.
  • the temperature of the collector below the ambient temperature can be used in addition to the usable solar radiation on the solar collector and the environmental heat in the system, whereby the energy input can be significantly increased.
  • the efficiency compared to conventional photovoltaic systems is increased by the benefit of the Lhexniifediyn EiiüciLzlicjheu.
  • the subject invention may be used in combination with
  • Photovoltaic systems also generate mechanical energy
  • thermal energy (solar radiation, environmental heat) is supplied via the photovoltaic module, which vexdeüu ⁇ ri a medium, which in the wake of a
  • Expansion machine can be driven.
  • the efficiency of the photovoltaic module may increase.
  • the photovoltaic module can also be designed with a larger storage mass, whereby the most uniform possible temperature profile and storage of the thermal energy is possible.
  • the condensate produced by the cooling of the photovoltaic modules can be collected via gullies or other devices.
  • the gullies can be arranged arbitrarily. Furthermore, the material on the photovoltaic module can be designed so that it is absorbed by this water condensate and can be discharged to an end, similar to a supersaturated sponge.
  • the cooling coils or heat sinks may be mounted on the photovoltaic module or integrated in the photovoltaic module.
  • the static load capacity of the photovoltaic modules can be significantly improved and the heat exchanger surface can be increased.
  • the heat-chamber ribs are attached to the top of the PV module, they are preferably designed to be reflective, which in turn causes the emission losses to vanish and on the other hand, the Einstrahl behavior can be increased.
  • the shape of the ribs lying on and below the photovoltaic module can be arbitrary.
  • the Ohf.rf1 Mc.hente ⁇ vperatur can be lowered due to the low evaporation temperatures below 0 0 C, whereby higher efficiencies of the photovoltaic modules are expected especially in the summer at high outside temperatures and intense sunlight.
  • the dissipated by the photovoltaic module energy can be transmitted in a row with the heat pump cycle to an energy consumer, such as a heating buffer with elevated temperature level, which can be brought to the required temperature even at low temperatures on the photovoltaic module or collector.
  • an energy consumer such as a heating buffer with elevated temperature level
  • a possible embodiment may be such that, the felt Medxum first flows through a cooled photovoltaic system or anorg Kunststoff ceremony ⁇ her and thereby extracts the dismissruft energy and then flows through a FlachkolleKtor for example with a downstream vacuum tube coektor, whereby the technical application limits of the individual components should be optimally utilized.
  • the subject system can also be used in any arrangement for building air conditioning, since after the relaxation of the medium by ripr machine after the energy contractor very low temperatures can be achieved.
  • FIG. 1 illustrates a heat pump solar system with a collector 1, heat exchanger 2, machine 7, machine ⁇ and a mechanical drive 4, both machines 6, 7.
  • a heat pump solar system with two rotors 13 is shown with a common drive shaft JL8 and a common housing 16, via a speed-independent, variable volume control (control device) 12 and sinen MoLOi / GäilärdiLux. 15-üdäyü-Tühi. L IaL.
  • a heat pump solar system with a Phot ⁇ voltaikm ⁇ dul 19 heat exchanger 20, heat storage 21 is illustrativL.
  • FIG. 4 a heat pump solar system with anlieyenden on a Photov ⁇ ltaikmodul 19 warmetaus ⁇ hersch Siemens 20 is illustrated.
  • a heat pump is illustrated with a heat exchanger 20 located in the photovoltaic module 19.
  • FIG. 6 illustrates a heat pump solar system with heat exchangers 22 arranged on both sides of the photovoltaic module 19 for receiving the environmental energy.
  • FIG. 1 show a heat pump solar system in which the solar collector 1 is traversed by a medium of low boiling point and subsequently pumped via the line 10 to a machine 7 and via the line 11 to a heat exchanger 3 the thermal energy is delivered to the heat consumer 2 -
  • the machines 7 and 6 are designed as Zellenmascliine ⁇ with a variable speed variable flow control with a common mechanical drive 4.
  • the cell machines are in the exemplary embodiment designed so that a movable intermediate housing 5 is displaced in the housing 7 f 6 r l ⁇ the cell machine in a plane to the axis of the cellular wheel 13, whereby a flow rate of about 0 to 100-1 einyey can be divided , If the intermediate housing 5 has the same distance to the cell wheel 13, no medium is pumped. If the Zwis ⁇ hengephinuse 5 shifted in a plane in the direction of the cell wheel 13, the volume between the cells change and the medium can be pumped according to this change in volume via an inlet and outlet opening.
  • the intermediate housing 5 can be displaced by means of a guide 23 on two opposing rails with the aid of a control device 12 (piston, thread or other device).
  • the machines (7, 6) are preferably via a common mechanical drive 4 via ⁇ inön. Engine and / or Gönöratotr 15 driven.
  • the compression pressure is increased by reducing the delivery rate of the machine 6 relative to the machine 7 until the required temperature increase by the pressure increase between 7 and 6 reached is.
  • the energy can be transmitted directly via ⁇ en drive 4 between the machines 6,7.
  • a medium is evaporated in the collector 1.
  • the kinetic energy of the medium is then converted into mechanical energy in the machine 7, after which the medium in the heat exchanger 3 is deprived of further energy and this is preferably liquefied.
  • the machine 6 in this case takes over the function of a device from which the medium is pumped back to the collector 1 or another heat source.
  • a common machine 16 is illustrated in which two rotors 13 are illustrated with cells 14 in a common housing 16, which are connected via a common IB and transmit the power to / from a motor and / or generator 15 becomes. If this common machine 16 as a heat pump beLriebe ⁇ , the heated medium is sucked from the collector 1 via the line 10, wherein depending on 'temperature requirement, the compression ratio via the control devices 12, which can be performed hydraulically or mechanically, adjusted by moving the intermediate housing 5 ,
  • the compressed medium is pumped via the line 11 to the heat capacity of the heat accumulator 2 where some of the thermal energy is emitted. Subsequently, the medium passes via the line 8 into the second part of the common machine 16 in which this is relaxed via the cellular wheel 13 and the cells 14. The mechanical energy delivered in this case is transmitted directly via the common shaft 18 between the machines. Via the line 9, the expanded medium returns to the collector 1 where this again thermal energy is supplied, after which the circuit is closed.
  • the cell housing can be displaced in the case of the centrifugal machine, the greatest volume can be at the location of the inlet but also at the location of the outlet, whereby the machine can operate as a compressor and as an expansion machine for the same direction of rotation and can work as a throttle body and feed pump.
  • the machine 16 may also operate as a thermal power Tna.snhine. In this case, the medium in the collector 1 thermal energy is supplied, whereby this is heated and there is an increase in pressure.
  • the medium then passes via the line 10 into the common machine 16 and is "over aas cellular wheel 13 and the cells 14 in which the volume in the part of the machine enlarged degraded into mechanical energy, and whereby a generator and / or motor 15 via a common shaft 18 can be driven.
  • the medium in the energy store 2 is deprived of further energy via the heat exchanger 3 or other heat sinks until it is preferably liquefied.
  • the medium then passes via the line 9 in the common machine 16 and is pumped by means of the cell wheel 13 and the cells 14 via the line 8 to the collector 1 and the heat source in which the volume in this part of the machine is reduced.
  • the adjustable housing 5 are moved in the common machine 16 in the corresponding positions.
  • the exact wall is like a machine Maachine l ⁇ sealed to the sliding housing 5.
  • Di t *> MsKc.hin «? 16 with a common shaft 18 may also be implemented with more than two rotors 13.
  • Fig. 3 is a heat pump solar system with a photovoltaic module iy with a larger storage mass 21 with internal heat exchanger tubes 20 illustrated.
  • the storage mass 21 which can be designed as any Energyspei r.h ⁇ r, a uniform temperature on
  • Phutovoitaikmodui 19 can be achieved and temperature jumps are avoided.
  • the heat energy can be dissipated via the heat exchanger 20 with the aid of cin ⁇ 3 medium.
  • a heat pump solar system is described with on a Phot.c ⁇ rol tai T ⁇ n ⁇ dul 19 adjacent Wärmct ⁇ uochersch GmbH 20, over which, the thermal energy can be dissipated.
  • a heat pump solar system is shown lying in Ph ⁇ tovoltaikmodul 19 heat exchanger 20, whereby a good heat transfer should be ensured.
  • a heat pump solar system with a photovoltaic module 19 a heat exchanger 20 and heat exchangers 22 (heat exchanger fins) mounted on both sides of the photovoltaic system 19 can be introduced into the system via the additional environmental heat and the static load capacity can be increased.
  • the filling amount of the system is preferably chosen so that a medium does not overflow the collector 1 in the liquid state. This is to avoid that liquid Mftrti ⁇ m gets into the machine 7 - in the heat pump solar system and additional collector and expansion tank, and oil can be integrated into the system arbitrarily.
  • p j -e representational warm pump solar panels can be performed with any control. All work media and components that have a favorable effect on the cycle can be integrated. Furthermore, the components can be arranged arbitrarily in the system.
  • For heat transfer plate heat exchanger r can Rohrbündclorulrneta-Uscher or other systems are eingäseLzL.
  • Heat accumulator Heat exchanger Mechanical drive Intermediate housing Machine Machine Conduction Line Conductor Line Control device Cell wheel Cells Motor / generator Housing (common machine) Gasket Drive shaft Photovoltaic module Heat exchanger Storage mass Heat source ribs Guiding Heat exchanger

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Abstract

Es handelt sich um eine Wärmepumpensolaranlage zur Steigerung der Energieausbeute von thermischen Solaranlagen und Photovoltaikanlagen mit einem Kollektor (1) und einem Arbeitsmechanismuskreislauf (8,9,10,11) in dem eine als Verdichter (7) wirkende Maschine eingeschaltet und eine Maschine (6) zum Entspannen des Arbeitsmediums eingeschaltet ist, wobei eine oder beide Maschinen mit variabler Volumensleistung betreibbar ist/sind und die Maschinen mechanisch miteinander verbunden sind.

Description

Wärmepumpensolaranlage
Bei der gegenständlichen Erfindung handelt es sich um eine Wärmepumpensolaranlage die zum einen nach dem Prinzip einer herkömmlichen Solaranlage im Umwälzbetrieb und zum anderen im
Figure imgf000003_0001
mit einem variablen Temperaturhub mit durchflussgeregelten Maschinen arbeiten kann, bei der ein Medium mit vorzugsweise niedrigem Siedepunkt anstatt des üblichen Wasser/Frostschuts-Gsniiechαs im Syαtcm zirkuliert und die Umwälzvorrichtung gleichzeitig als Verdichter ausgeführt ist, wodurch gegenüber dem Wärmeabnehmer ein Temperaturhub erreicht werden kann und anstatt einer herkömmlichen Drossel eine Maschine mit einer mechanischen Durchflussmengenregelung oder elektronischen Drehzahlregelung zum Abbau der kinetischen Energie inteqriert ist,
in der Fatentschrirt AT 3bJ73b wird eine Sonnenenergiegewinnungsanlage beschrieben, bei der zusätzlich zu einem Expansionsventil parallel eine Umwälzpumpe vorgesehen ist und pciXdllel zum Kompressor ein Rückschlagventil angeordnet ist und durch Umschalten der Gruppen der Betrieb gewechselt wird. In der Schrift WO 1993040313A1 (1998) „Anlage zur Entsalzung oder Reinigung von Meer- oder Brackwasser mittele Solarenergie", wird ein System beschrieben, bei dem Meer- oder Brackwasser mittels Solarenergie mit einem geschlossenen Kreislauf aus einem thermi sαhesn
Figure imgf000003_0002
einein Wärmetauscher in dem ein Medium zirkuliert, einem Becken mit Meer- oder Brackwasser, mit einem Wärmetauscher zum Verdampfen von diesem und einer Kühlfläche oberhalb des Beckens zur Kondensation des verdampften Wassers angeordnet ist. Die gegenständliche Erfindung ist vorzugsweise so ausgeführt, dass zwei Maschinen mit einer variablen
Figure imgf000004_0001
πng direkt miteinander über einen Antrieb (Zahnriemen, Zahnrad, sonstiges) beziehungsweise mit, miteinander verbundenen Wellen angetrieben werden oder so gefertigt sind, dass diese direkt miteinander in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und mit einer gemeinsamen Antriebswelle angetrieben werden.
Je nach nötigem Temperaturhub kann bei der gegenständlichen Erfindung der Verdichtungadruck erhöht werden, in dem die Durchflussmengen zwischen den zwei Maschinen mit der Funktion der Verdichtung und Expansion zueinander verändert wird.
Hierzu wird die Durchflussmenge an der Maschine, die das Medium verdichtet vergrößert oder gleich gehalten und die Durchflussmenge an der Maschine in verkleinert oder gleich gehalten, der das Medium expandiert
Von einer Wärmequelle (Sonnenkollektor) wird thermische Energie zugeführt und über einen Verdichter je nach Bedarf verdichtet, wodurch die Temperatur angehoben werden kann. Diese Energie wird über einen Wärmetauscher an einen Verbraucher, wie zum Beispiel einen Warmwasserspeicher, abgegeben.
Den nötigen Widerstand zur Druck- und Temperaturerhöhung bewirkt im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmepumpen anstelle einer Drossel eine Maschine, mit niedrigerer Volumenförderung als der Verdichter .
Die von der Maschine zur Drosselung der Durchflussmenge abgegebene mechanische Energie kann direkt über einen qemeinsamen mechanischen Antrieb zurück auf den Verdichter übertragen werden. Das System kann auch zur Gewinnung von mechanischer Energie Verwendung finden, indem die thermisch« F.nβrrj-ie in mechanische Energie umgewandelt wird. Hierzu kann die Maschine die das Medium verdichtet bei gleicher Flussrichtung als Expansionsmaschine ausgeführt sein. Die zweite Maschine übernimmt in diesem Fall die Funktion einer Rückführvorrichtung bzw. Speisepumpe für ein Medium mit niederem Siedepunkt.
Im reinen Umwäl2betrieb sind beide Maschinen (Verdichtung und Expansion) so eingestellt, dctss kein Temperaturhub erfolgt. Das kann dann der Fall sein, wenn genügend hohe Absorbertemperaturen zur Verfügung stehen um die nötige Temperatur am Wärmeabnehmer svα erreichen und αinα Zirkulation deo Mediums im Kreislauf zur Übertragung der Energie vom Absorber auf den Wärmeabnehmer ausreicht.
Ist ein Temperaturhub notwendigr kann der Widerstand an der Maschine nach dem Energieabnehmer erhöht werden, wodurch die Maschine vor dem Energieabnehmer mehr Arbeit leisten muss und durch die Komprimierung des vorzugsweise gasförmigen Mediums ein Temperaturhub erreicht werden kann.
Das kann insbesondere dann der Fall sein, wenn aufgrund zu niedriger Absorbertemperaturen am Sonneokollektor oder zur Bereitstellung von höheren Temperaturen, wie zum Beispiel von Prσzesswärme, eine Temperaturerhöhung der am Sonnenkollektor erreichbaren Temperaturen notwendig ist.
Werden Maschinen mit Schmierölkreislauf verwendet, werden auch noch zusätzliche Ölabscheider mit einer für den jeweiligen Einsatzbereich geeigneten Anordnung, vorgeanhl agen.
Um einen gleichmäßigen Druckverlauf zu gewährleisten und Flüssigkeitssσhläge zu vermeiden, können wahlweise Sammler im System integriert sein, über die, die Flüssigkeit vor dem Verdichter abgeschieden werden kann.
Der Sonnekollektor oder Teile des Sonnekollektσrs können auch so ausgeführt sein, dass die Energie der Umluft durch einen guten Wäj-ui*-Übergang zum Absorber oder durch zusätzliche Wärmetauscher am Absorber gewahrleistet ist.
Zur Steigerung dcG Eintrages von Umweltwärme können zusätεlichä Lu£twärm.etauscn.er Verwendung im System integriert sein.
Der Sonnftnk-oü lektor kann in einer der möglichen Ausführungsformen so aufgebaut sein,, dass der Grundaufbau dem eines herkömmlichen Sonnenkollektors mit transparenter Abdeckung, Absorberfläche und einer Wanne ausgeführt ist, wobei diese vorzugsweise nur geringfügig oder überhaupt nicht wärmegedämmt ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Absorberfläche als Rückwand des Sonnenkollektors ausgebildet, die auch aus einer yrößereii Masse aus Keramik octer anderen geeigneten Materialien aufgebaut sein kann, wodurch eine gute Wärmespeichsxung bei geringen Temperatursprüngen gewährleistet werden soll.
Aufgrund dessen, dass, das Medium vorzugsweise über eine variable Zelleπmaschine entspannt wird, kann die Entspannungsenergie über den gemeinsamen Antri b suf die zwmtf? variable 7.e1.1 ι=>nnnascM ne zur Verdichtung des Mediums übertragen werden.
Es können hier auch andere Maschinen mit einem geraeinsamen Antrieb und einer variablen Dürchflussmengenregelung Verwendung finden. Wesentliche Vorteile des gegenständlichen Systems liegen in der Möglichkeit dieses nach dem Prinzip einer herkömmlichen Solaranlage mit einem Warmeträgermeαium arbeiten lassen zu können •und diese zudem nach dem Prinzip der Wärmepumpe bzw. Kältemaschine einsetzen zu können oder in einem System mechanische Energie und über einen Generator elektrische Energie gewinnen zu können.
Im Wärmepumpenbetrieb kann durch den Temperaturhub der Energieaufwand in Form von elektrischer Energie zur Bereitstellung der Energie am Energieabnehmer im Vergleich zu herkömmlichen Elektroheizeinsätzen um das mehrfache verringert werden.
Da der Absorber bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann, können insbesondere bei Flachkollektoren die thermischen VeαlubLe dm Soimenkollektor verringert werden.
wird über den Wärmpumpenkreislauf so viel Energie entzogen, dass die Temperatur unter die Umgebungstemperatur fälltr kann die gesamte nutzbare Sonnenenergie übertragen werden.
T,legt- die» Temperatur des Kollektors unter der Umgebungstemperatur kann neben der nutzbaren Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor auch noch die Umweltwärme in das System mit eingebracht werden, wodurch der Energieeintrag erheblich gesteigert werden kann.
Wird das System mit Photovoltaikanlagen kombiniert erhöht sich der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Photovoltaikanlagen um den Nutzen der üuήciLzlicjheu Lhexniifediyn Eiiü-nyie. Die gegenständliche Erfindunq kann in Kombination mit
Photσvoltaikanlagen auch 2ur Erzeugung von mechanischer Energie
Verwendung finden .
In dieser Ausführungsform wird über das Photovoltaikmodul thermische Energie (Sonneneinstrahlung, Umweltwärme) zugeführt, die ein Medium vexdeüuμri, womit in der folge eine
Expansionsmaschine angetrieben werden kann.
Die Funktionsweise ist hierbei die selbe wie bei thermischen
Solarsril flgen zur Umsetzung der kinetischen Energie dcα Mediums in mechanische Energie,
Es soll hierdurch zum Einen elektrische Energie vom
Photovoltaikmodul selber gewonnen WRrripn πnd 7um anderen über die am Photovoltaikmodul anfallende thermische Energie zusätzlich über die Expansion eines Mediums in der Wärmepumpensolaranlage mechanische und in der Folge elektrische Energie gewonnen werden können.
Wird die thermische Energie des Photovoltaikmodul$ abgeführt kann es zu einer Steigerung des Wirkungsgrades des Photovoltaikmoduls kommen.
Je nach Temperatur, des Mediums mit niederem Siedepunkpunkt, zur Kühlung Phσtovoltaikmodule, wird auch noch ©in öήtsprachander Anteil an Umweltwärme an der Vorder- und Rückseite des Photovoltaikmoduls aus der Umluft oder anliegenden Bauteilen aufgenommen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Photovoltaikmodul auch mit einer größeren Speichermasse ausgeführt sein, wodurch ein möglichst gleichmäßiger Temperaturverlauf und eine Speicherung der thermischen Energie möglich ist. Das bei der Abkühlung der Photovoltaikmodule entstehende Kondensat kann über Wasserrinnen oder andere Vorrichtungen gesammelt werden.
Die Wasserrinnen können beliebig angeordnet sein. Weiters kann das Material am Photovoltaikmodul so ausgeführt sein, dass von diesem Wasserkondcnαat aufgenommen wird und an ei-iyiu Ende , ähnlich einem übersättigtem Schwamm, abgegeben werden kann.
Nach einer entsprechendem Aufbereitung des Kondenswassars sollte dieses auch als Trinkwasser genutzt werden können.
Die Kühlschlangen oder Kühlkörper können am Photovoltaikmodul angebracht sein oder auch im Photovoltaikmodul integriert sein.
Zur Nutzung der Umweltwärme und als Speiσhermasse, wäre es auch denkbar und möglich die Module weitgehend wärmeschlüssig an Betonkörpörπ oder Wänden υder sonstigen speicherrαassen außerhalb des Photovoltaikmoduls anzubringen, die zusätzlich oder alleine mit Wärmetauschern versehen sein können.
Am Photovoltaikmodul können auch noch zusätzliche Wärmetauscherrippen an der Unterseite des Photovoltaikmoduls oder auch oberhalb des Photovoltaikmoduls angebracht asin.
Hierdurch kann die statische Belastbarkeit der Photovoltaikmodule erheblich verbessert werden und die Wärrαetauscheroberfläche vergrößert werden.
Werden die Wärmetauseherrippen an der Oberseite des PV Moduls angebracht, werden diese vorsugsweise reflektierend ausgeführt, wodurch zum einem die AbstrahluπgsverlusLe väirliiyeiL weiden können und zum anderen die Einstrahlfläche vergrößert werden kann.
Die Form der auf und unter dem Photovoltaikmodul liegenden Rippen kann beliebig sein.
Durch die Kühlung der Photovoltaikmodule durch die Wäiiuöpuπipewöolaranlage ist mit einer Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades zu rechnen.
(Bei herkömmlichen Photovoltaikanlagen nimmt die Leistung bei höheren Temperaturen in der Regel ab) .
Werden die Photovoltaikmodule mit einem Kältemittel gekühlt, kann die Ohf.rf1 Mc.henteπvperatur aufgrund der niedrigen Verdampfungstemperaturen bis unter O0C gesenkt werden, wodurch insbesondere im Sommer bei hohen Außentemperaturen und intensiver Sonneneinstrahlung höhere Wirkungsgrade der Photovoltaikmodule erwartet werden.
Die vom Photovoltaikmodul abgeführte Energie kann in der Folge mit dem Wärmepumpenkreislauf auf einen Energieabnehmer, wie zum Beispiel einen Heizungspufferspeicher mit erhöhtem Temperaturniveau übertragen werden, wodurch diese auch bei geringen Temperaturen am Photovoltaikmodul bzw. Kollektor auf die benötigte Temperatur gebracht werden kann.
Um den Energieaufwand für die Wärmegewinnung möglichst gering halten, können mehrere Systeme wie; zum Beispiel &ußenluftwärmetauscher, gekühlte Photovoltaikanlagen, Flachkollektoren und Vakuumkollektoren miteinander kombiniert werden.
Eine mögliche Ausführungsform kann so ausgeführt sein, dass, das gefühlte Medxum zuerst eine gekühlte Photovoltaikanlage oder einen Außenluftwärmetausσher durchströmt und hierbei der Außenruft Energie entzieht und anschließend einen zum Beispiel FlachkolleKtor mit einem nach geschalteten vakuumröhrenkoliektor durchströmt, wodurch die technischen Einsatzgrenzen der einzelnen Komponenten möglichst optimal ausgenutzt werden können sollen.
Das gegenständliche System kann auch in beliebiger Anordnung zur Gebäudeklimatisierung eingesetzt werden, da nach der Entspannung des Mediums nach ripr Maschine nach dem Energieahnehmer sehr niedrige Temperaturen erreicht werden können.
Durch die möglichen niedrigen Temperaturen nach der Entspannung des Mediums nach der Maschine nach dem Energieabnehmer soll es mit diesem System auch möglich sein, Wasser aus der Umluft zu kondensieren, wozu am Kollektor Abflussrinnen bzw. bei Außenluftwärmtauschern Wassersammler eingesetzt werden können, die das KUIK-U-ÜISCIL ö.ua der Umluft auffangen können.
In den Figuren werden beispielsweise Ausführungsformen der gegenständlichen Erfindung veranschaulicht.
Tn Fig. 1 wird ftiπe Wärmepumpensolaranlage mit einem Kollektor 1, Wärmespeiσher 2, Maschine 7, Maschine β und einem mechanischen Antrieb 4, beider Maschinen 6,7, veranschaulicht.
In Fig. 2 wird eine Wärmepumpensolaranlage mit zwei Rotoren 13 mit einer gemeinsamen Antriebswelle JL8 und einem gemeinsamen Gehäuse 16 veranschaulicht, die über eine drehzahlunabhängige, variable Volumensteuerung (Steuervorrichtung) 12 und sinen MoLOi/GäilärdiLux. 15 -üdäyü-Tühi. L IaL. In Fig. 3 wird eine Wärmpumpensolaranlage mit einem Photσvoltaikmαdul 19, Wärmetauscher 20, Wärmespeicher 21 veranschaulichL .
In Fig. 4 wird eine Wärmepumpensolaranlage mit an einem Photovσltaikmodul 19 anlieyenden warmetausσherschlangen 20 veranschaulicht.
In. Fig. 5 wird eine Wärmepumpi≥risol-irςmlα'je mit einem im Photovoltaikmαdul 19 liegenden Wärmetauscher 20 veranschaulicht.
In Fig. 6 wird eine Wärmepumpensolaranisge mit an beiden Seiten des Photovoltaikmoduls 19 angeordneten Wärmetauschern 22 zur Aufnahme der ümgebungsenergie veranschaulicht.
Die in Fig. 1 veranschaulichte beispielsweise Ausführungsformen zeigt eine Wärmepumpensolaranlage, bei der,, der Sonnenkollektor 1 von einem Medium niederen Siedepunktes durchströmt wird und anschließend über die Leitung 10 zu einer Maschine 7 und über die Leitung 11 su einem Wärmetauscher 3 yepumpt, wird, der die thermische Energie an den Wärmeabnehmer 2 abgibt - In der beispielsweisen ftusführungsform aus Fig. 1 sind die Maschinen 7 υnd 6 als ZellenmascliineΛ mit einer drehzahlunabhängigen variablen Fördermengenregelung mit einem gemeinsamen mechanischen Antrieb 4 ausgeführt .
Die Zellenmaschinen sind in der beispielweisen Ausführungsform so ausgeführt, dass ein bewegliches Zwischengehäuse 5 im Gehäuse 7f6rlβ der Zellenmaschine in einer Ebene zur Achse des Zellenrades 13 verschoben wird, wodurch eine Fördermenge von in etwa 0 bis 100-1 einyey teilt werden kann. Hat das Zwischengehäuse 5 zum Zelleilrad 13 den gleichen Abstand wird kein Medium gepumpt. Wird das Zwisσhengehäuse 5 in einer Ebene in Richtung zum Zellenrad 13 verschoben, ändern sich die Volumen zwischen den Zellen und das Medium kann entsprechend dieser Volumenänderung über ein Zu- und Abführöffnung gepumpt werden.
Das Zwischengehäuse 5 kann hierbei mit Hilfe einer Führung 23 an zwei gegenüberliegenden Geiten mit Hilfe einer Steuervorrichtung 12 (Kolben, Gewinde oder anderen Vorrichtung) verschoben werden. Die Maschinen (7, 6) werden vorzugsweise über einen gemeinsamen mechanischen Antrieb 4 über βinön. Motor und/odsr Gönöratotr 15 angetrieben.
Reicht die Temperatur am Absorber 1 nicht aus um die nötige Temperatur am Wärmeabnehmer 2 zu erreichen, wird der Verdichtungsdruck erhöht, in dem die Fördermenge der Maschine 6 im Verhältnis zur Maschine 7 soweit verringert wird, bis der nötige Temperaturhub durch die Druckerhöhung zwischen 7 und 6 erreicht Ist. Die Energie kann πier direkt über αen Antrieb 4 zwischen den Maschinen 6,7 übertragen werden.
Wird kein Wärmσbub benötigt kann die Liefermenge der beiden Maschinen 7 und 6 zueinander angeglichen werden.
Soll das gegenständliche System zur Gewinnung von meαhani sn.hp.r Energie eingesetzt werden, wird im Kollektor 1 ein Medium Verdampft. Die kinetische Energie des Mediums wird anschließend in der Maschine 7 in mechanische Energie umgewandelt wonach dem Medium im Wärmetauscher 3 weitere Energie entzogen wird und dieses vorzugsweise verflüssigt wird. Die Maschine 6 übernimmt in diesem Fall die Funktion als Vorrichtung von der das Medium zurück zum Kollektor 1 oder einer anderen Wärmequelle gepumpt wird.
In Fig. 2 wird eine gemeinsame Maschine 16 veranschaulicht, bei der zwei Rotoren 13 mit Zellen 14 in einem gemeinsamen Gehäuse 16 veranschaulicht, die über eine gemeinsame Weiie IB verbunden sind und die Kraft auf/von einen/m Motor und/oder Generator 15 übertragen wird. wird diese gemeinsame Maschine 16 als Wärmepumpe beLriebeπ, wird vom Kollektor 1 das erhitzte Medium über die Leitung 10 angesaugt, wobei je nach ' Temperaturbedarf das Verdichtungsverhältnis über die Steuervorrichtungen 12, die hydraulisch oder mechanisch ausgeführt sein kann/können, durch verschieben des Zwischengehäuses 5 angepasst.
Das verdichtete Medium wird über die Leitung 11 zum Wärmfit*mft<-!h<=>r 3 des Wärmespeichers 2 gepumpt wo ein Teil der thermischen Energie abgegeben wird- Anschließend gelangt das Medium über die Leitung 8 in die zweiten Teil der gemeinsamen Maschine 16 in der dieses über das Zellenrad 13 und die Zellen 14 entspannt wird. Die hierbei abgegebenen mechanische Energie wird direkt über die gemeinsame Welle 18 zwischen den Maschinen übertragen. Über die Leitung 9 gelangt das entspannte Medium wieder in den Kollektor 1 wo diesem wieder thermische Energie zugeführt wird, wonach der Kreislauf geschlossen ist.
Dadurch, dass bei der g^g^nständl i cheπ Zβllenmaschine das Zellengehäuse verschoben werden kann, kann an der Stelle des Einlasses aber auch an der Stelle des Auslasses das größte Volumen liegen, wodurch die Maschine bei gleicher Drehrichtung als Verdichter und als Expansionsmaschine arbeiten kann und als Drosselorgan und Speisepumpe arbeiten kann. Die Maschine 16 kann auch als WärmekraftTna.snhine arbeiten. In diesem Fall wird dem Medium im Kollektor 1 thermische Energie zugeführt, wodurch sich dieses erhitzt und es zu einem Druckanstieg kommt.
Das Medium gelangt anschließend über die Leitung 10 in die gemeinsame Maschine 16 und wird "Über aas Zellenrad 13 und die Zellen 14 in dem sich das Volumen in dem Teil der Maschine vergrößert in mechanische Energie abgebaut, und wodurch ein Generator und/oder Motor 15 über eine gemeinsame Welle 18 angetrieben werden kann.
Nach dem Entspannen wird dem Medium im Energiespeicher 2 über den Wärm«tan.?cher 3 oder sonstigen W&rmesenke weitere Energie entzogen bis dieses vorzugsweise Verflüssigt ist.
Das Medium gelangt anschließende über die Leitung 9 in die gemeinsame Maschine 16 und wird mit Hilfe des Zellenrades 13 und den Zellen 14 über die Leitung 8 zum Kollektor 1 bzw. zur Wärmequelle gepumpt in der sich das Volumen in diesem Teil der Maschine verkleinert. Über die Steuervorrichtung 12 werden die verstellbaren Gehäuse 5 in der gemeinsamen Maschine 16 in die entsprechenden Positionen verschoben.
Mit Hilfe der Dichtungen 17 an dem verschiebbaren Gehäuse 5 wird die Genauβewand dar gerneinσaπicn Maachine lβ zum verschiebbaren Gehäuse 5 abgedichtet .
Di t*> MsKc.hin«? 16 mit einer gerneinsamsn Welle 18 kann auch mit mehr als zwei Rotoren 13 ausgeführt sein.
In Fig. 3 wird eine Wärmpumpensolaranlage mit einem Photovoltaikmodul iy mit einer größeren Speichermasse 21 mit innen liegenden Wärmetauseherröhren 20 veranschaulicht.
Durch die Speichermasse 21, der als beliebiger Energiespei r.hβr ausgeführt sein kann, kann eine gleichmäßige Temperatur am
Phυtovoitaikmodui 19 erreicht werden und Temperatursprünge vermieden werden.
Über den Wärmetauscher 20 kann die thermische Energie mit Hilfe cin<≥3 Mediuma abti-anspoi.LierU werden.
In Fig. 4 wird eine Wärmepumpensolaranlage mit an einem Phot.cπrol tai Tσnαdul 19 anliegenden Wärmctαuocherschlangen 20 beschrieben, über die, die thermische Energie abgeführt werden kann.
In Fig. 5 wird eine Wärmepumpensolaranlage mit im Phσtovoltaikmodul 19 liegenden Wärmetauscher 20 veranschaulicht, wodurch ein guter Wärmeübergang gewährleistet sein soll.
Ia Fig. 6 wird eine warmepumpensolaranlage mit einem Photovoltaikmodul 19 einem Wärmetauscher 20 und auf beiden Seiten der Phσtovoltaikanlage 19 angebrachten Wärmetauschern 22 (Wärmetauacherrippen) veranschaulichL über die zusatzliche Umweltwärme in das System eingebracht werden kann und die statische Belastbarkeit erhöht werden kann.
Die Füllmenge des Systems wird vorzugsweise so gewählt, dass ein Medium den Kollektor 1 im flüssigen Zustand nicht überströmt. Hierdurch soll vermieden werden, dass flüssiges Mftrtiυm in die Maschine 7 gelangt - in der Wärmepumpensolaranlage können auch noch zusätzliche Sammler und Expansionsbehälter, sowie ölabscheider beliebig im System integriert sein. pj-e gegenstandliche warmepumpensolaranlage kann mit einer beliebigen Steuerung ausgeführt werden. Es können alle sich für den Kreisprozess günstig auswirkenden Arbeitsmedien und Komponenten integxierL werden. Des weiteren können die Komponenten beliebig im System angeordnet sein. Für die Wärmeübertragung können Plattenwärmetauscherr Rohrbündclwürrneta-uscher oder andere Systeme eingäseLzL werden. Als Maschinen für die Umwälzung, Verdichtung und Expansion des Mediums können alle sich hierfür eignenden Maschinen mit einer variablen DυrπhfHissmengennsgelung Verwendung finden. Als Wärmequelle und, Wärmesenke können auch andere Wärmequellen als Solaranlagen und Photovoltaikmodule oder als Wärmesenke andere Wärmesenken als Pufferspeicher genutzt werden. Die Wassersammler- bzw. Rinnen können beliebig ausgeführt und angeordnet sein.
- 10 -
Legende zu den Hinweisziflern
Kollektor Wärmespeicher Wärmetauscher mechanischer Antrieb Zwischengehäuse Maschine Maschine Leitung Leitung Leitung Leitung Steuervorrichtung Zellenrad Zellen Motor/Generator Gehäuse (gemeinsame Maschine) Dichtung Antriebswelle Photovoltaikmodul Wärmetauscher Speichermasse Wärmetauseherrippen Führung Wärmetauscher

Claims

Patentansprüche
1. Wärmepumpensolaranlage mit einem Kollektor (1), einem Wärmetauscher (3) und einem Arbeitsmechanismuskreislauf
(8,9,10,11) zwischen Kollektor (1) und Wärmetauscher (3), dadurch gekennzeichnet, dass in dem vom Kollektor (1) zum Wärmetauscher (3) ruiirende Teil (10,11) dea Arbeitsmediumskreislaufes (8,9,10,11) eine als Verdichter (7) wirkende Maschine eingeschaltet und in dem vom Wärmetauscher (3) ≥um Kollektor (1) rüσkfϋhrenden. Teil (8,9) des Arfoeitsmediumskreislaufes (8,9,10,11) eine Maschine (6) zum Entspannen des Arbeitsxαediums eingeschaltet ist, wobei eine oder beide Masc.hi nsn mit variabler VolumensIe3 stuπg betreibbar ist, und wobei beide Maschinen mechanisch miteinander verbunden sind.
2. Wärmepumpensolaranlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsmedium in einem Kreislauf zirkuliert eine Maschine als Verdichter (7) arbeitet und über eine Maschine (β) das Medium wieder entspannt wird und der Verdichter (7) und/odäi. die Maschine (6) mit einer variablen Volumenleistung ausgeführt sind und beide Maschinen mechanisch mit einander verbunden sind (4) und die S-b<au®rung der variablen Volumenleistung so ausgeführt ist, dass ein verschiebbares Zellengehäuse (16) mit Hilfe eines Mechanismus oder Hydraulik (17) so verschoben wird, dass sich der Abstand zum Rotor (18) mit den darin geführten Zellen (19) auf einer Seite vergrößert und auf der gegenüber liegenden Seite verkleinert und hierdurch eine Steuerung der Volumenleistung bewirkt wird.
3. Wärrnepumpensolaranlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (7) als Verdichter oder als Expansionsmaschine arbeitet.
4. WärraepumpensQlaranlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Maseliine 6 als Expansionsvorrichtung oder als Speisepumpe arbeitet.
5. Wärmepumpensolaranlage nach ήinem der Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinen (7) und (8) als eine gemeinsame Maschine (16) , in einem gemeinsamen Gehäuse (16) ausgeführt sind.
6. wärmepumpensolaranlage nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinen (7) und (6) als eine einzige Maschine mit einer gemeinsamen Welle und mehr als zwei Rotoren (14) öusyeführt ist.
7. Wärmepumpensolaranlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Kollektors CX) Wasser aus der Umluft kondensiert und gesammelt wird.
8. Wärmepumpensolaranlage nach e.ine=m der Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (1) als Photovoltaikanlage (19) mit integriertem Wärmetauscher (20) ausgeführt ist.
9. Wärmepumpensolaranlage nach einem der Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (1) als Photovoltaikanlage (19) ausgeführt ist und Wärmetauscherrohre (20) in der Photovoltaikei.nla.ge (19) integriert sind und über Wasserriπnen am Photovoltaikmodul (19) Kondenswasser aus der Umluft qesamtnelt werden kann und mit zusätzlichen Wärmetauschern 22 ausgeführt ist.
10. Wärmepumpensolaranlage nach einem der Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (20) des Kollektors (1) mit einem SpfesiuliexmeeUuiπ ausgeführt ist.
11. Wärmepumpensolaranlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr als zwei Sellcnrädor
(13) in einer gemeinsamen Maschine (16) angeordnet sind die mit einer gemeinsamen Welle (18) verbunden sind und ein Gehäuse 5 über eine Steuervorrichtung (12) verstellbar ist.
12. Wärmepumpensolaranlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Zellenräder (13) in einer gemeinsamen Maschine (16) angeordnet sind/ die mit einer gemeinsamen Welle (18) verbunden sind und mehr als ein Gehäuse 5 über Steuervorrichtungen (12) verstellbar ist,
13. Warniepuifipaii-suliai.-inld.yfe. iiduh eiuyiu d«er Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass diese auch zur Gewinnung von mechanischer Energie nutzbar ist.
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