DE3920012A1 - Hybridanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hybridanordnung ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche Einrichtungen finden vor allem dort eine Anwen­ dung, wo Wärme, insbesondere von natürlichen Wärmequel­ len, in Elektrizität umgewandelt wird.

Aus dem Stand der Technik ist eine Einrichtung bekannt, die eine Natriumkonzentrationszelle aufweist, welche im Brennpunkt eines Parabolspiegels angeordnet ist und zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie ge­ nutzt wird. Anordnungen, die anstelle der Natriumkonzen­ trationszelle einen Stirlingmotor mit nachgeschaltetem Generator verwenden, sind ebenfalls bekannt. Ferner ist die Anordnung eines Wärmespeichers im Brennpunkt des Parabolspiegels bekannt. Die Energiewandler stehen hier­ bei mit dem Wärmespeicher direkt in Verbindung. Durch die Anordnung dieser Einrichtungen im Brennpunkt eines Parabolspiegels werden sie sehr hohen Temperaturen aus­ gesetzt. Auf Grund sich ständig ändernder Einstrahlungs­ intensitäten der Sonne, verursacht durch Bewölkung oder den Wechsel von Tag und Nacht, sind diese Einrichtungen starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, was eine be­ achtliche Materialbeanspruchung ihrer Bauelemente mit sich bringt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei der Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme wech­ selnder Temperatur, die dabei auftretenden hohen Tem­ peraturschwankungen zu unterbinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Mit Hilfe der zusätzlichen Wärmequelle ist es im Be­ darfsfall möglich, den Energiewandler durch Zufuhr von Wärme auf konstanter Temperatur zu halten. Materialbean­ spruchungen durch extreme Temperaturschwankungen werden damit vermieden. Als zusätzliche Wärmequelle kann bspw. ein Brenner für feste oder strömende Brennstoffe genutzt werden. Die erfindungsgemäße Hybridanordnung umfaßt eine Regelstrecke, in welche die zusätzliche Wärmequelle ein­ gebunden ist. Wenigstens ein Temperaturmeßfühler der zur Regelstrecke gehörenden Regeleinrichtung ist in dem En­ ergiewandler angeordnet. Das Meßsignal des Meßfühlers wird einem Vergleicher zugeführt, dessen zweiter Signal­ eingang mit dem Ausgangssignal eines Sollwert-Gebers beaufschlagt wird. Der Sollwert-Geber ist auf die Ar­ beitstemperatur des Energiewandlers eingestellt. Das Ausgangssignal des Vergleichers dient als Steuersignal für die zusätzliche Wärmequelle. Durch die entsprechende Ausbildung des Steuersignals kann die Wärmequelle stu­ fenlos zwischen 0 und maximaler Leistung betrieben wer­ den. Als Energiewandler wird vorzugsweise eine Natrium­ konzentrationszelle, ein Seebeck-Generator oder ein Stirling-Motor mit nachgeschaltetem Generator verwendet. Die Anzahl der verwendeten Energiewandler ist nicht auf jeweils einen je Einrichtung begrenzt. Vielmehr kann bei Bedarf die Anzahl der Energiewandler erhöht werden.

Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, nicht den Ener­ giewandler, sondern einen Wärmespeicher, der bspw. als Natriumgasreservoir ausgebildet ist, unmittelbar im Brennpunkt des Parabolspiegels anzuordnen. Die zusätz­ liche Wärmequelle ist in diesem Fall an den Wärmespei­ cher angeschlossen. Hierdurch werden ebenfalls Intensi­ tätsschwankungen der eingestrahlten Solarenergie durch sofortige Zuschaltung der Wärmequelle ausgeglichen. Eine unmittelbare Beeinflussung des Energiewandlers durch die Intensitätsschwankungen der Solarenergie wird hiermit gleichfalls unterbunden. Der Wärmespeicher ist vorzugs­ weise über eine Wärmetransporteinrichtung in Form eines Wärmerohres mit dem Energiewandler verbunden.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schemati­ schen Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Hybridanordnung gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine Variante der erfindungsgemäßen Hybridan­ ordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Hybridanordnung weist eine zusätzliche Wärmequelle 2, einen Parabolspiegel 4 als die eingestrahlte solare Energie bündelndes optisches Bauelement sowie einen Energiewandler 5 auf. Die Hybridanordnung ist so ausgebildet, daß der Energie­ wandler 5 immer im Brennpunkt des Parabolspiegels ange­ ordnet ist. Mit Hilfe der auf den Parabolspiegel 4 auf­ treffenden solaren Energie wird der Energiewandler 5 auf einer Temperatur von mindestens 850°C gehalten. Um die Sonnenenergie optimal ausnutzen zu können, ist der Para­ bolspiegel 4 beweglich angeordnet (hier nicht darge­ stellt) und kann der Sonne nachgeführt werden. Der Ener­ giewandler 5 ist mit der zusätzlichen Wärmequelle 2 ver­ bunden. Dies ist bei dem hier dargestellten Ausführungs­ beispiel als Ringbrenner ausgebildet und mit fossilen Brennstoffen befeuerbar. Je nach Größe des Energiewand­ lers 5 können anstelle der zusätzlichen Wärmequelle 2 auch mehrere solcher Wärmequellen 2 mit dem Energiewand­ ler verbunden werden, falls es die Gegebenheiten erfor­ dern. Bei einer Sonneneinstrahlung, die weder durch Be­ wölkung noch durch Dunst beeinflußt ist, kann der Ener­ giewandler alleine durch die Anordnung im Brennpunkt des Parabolspiegels 4 auf einer Arbeitstemperatur von min­ destens 850°C gehalten werden. Wird die Intensität der solaren Energie durch Wolken gemindert, bzw. in der Nacht vollkommen reduziert, so kann die gewünschte Tem­ peratur des Energiewandlers 5 mit Hilfe der zusätzlichen Wärmequelle 2 aufrechterhalten werden. Innerhalb des Energiewandlers 5 ist an entsprechender Stelle ein Tem­ peraturmeßfühler 6 angeordnet, der zu einer Regelstrecke 7 gehört. Diese Regelstrecke 7 umfaßt eine Regeleinrich­ tung, die durch einen Sollwert-Geber 8 sowie einen Ver­ gleicher 9 gebildet wird. An dem Sollwert-Geber 8 wird die Arbeitstemperatur des Energiewandlers 5 eingestellt. Der Ausgang des Sollwert-Gebers ist mit dem Eingang des Vergleichers 9 verbunden. Der zweite Eingang des Ver­ gleichers 9 steht mit dem Meßfühler 6 in Verbindung. Der Vergleicher 9 ist so ausgebildet, daß er aus den beiden Signalen, die ihm von dem Meßfühler 6 und dem Sollwert- Geber 8 zugeführt werden, ein Differenzsignal bildet. Weist die Arbeitstemperatur des Energiewandlers 5 bis auf Schwankungen von ±5% die am Sollwert-Geber 8 eingestellte Temperatur auf, so wird von dem Vergleicher 9 kein Differenzsignal erzeugt. Sind die Abweichungen von der eingestellten Soll-Temperatur jedoch größer, so erscheint am Ausgang 9E des Vergleichers 9 ein Steuer­ signal, das dem Eingang 2A der zusätzlichen Wärmequelle 2 zugeführt wird. Dieses Steuersignal ist der Größe des im Vergleicher gebildeten Differenzsignals direkt pro­ portional. Mit Hilfe dieses Steuersignals wird die Wär­ mequelle 2 zu- oder abgeschaltet. In Abhängigkeit von der Größe dieses Steuersignals wird außerdem die Lei­ stung der Wärmequelle 2 zwischen 0 und maximaler Lei­ stung stufenlos eingstellt. Falls der Energiewandler 5 sehr groß ausgebildet ist, können anstelle eines Meß­ fühlers 6 auch mehrere Meßfühler innerhalb desselben angeordnet werden. Als Energiewandler 5 wird vorzugs­ weise eine Natriumkonzentrationszelle verwendet. Erfin­ dungsgemäß können auch mehrere Natriumkonzentrationszel­ len (hier nicht dargestellt) für die Energiewandlung eingesetzt werden. Eine solche Natriumkonzentrationszel­ le kann einen Wirkungsgrad von 30 bis 40% je Zelle er­ reichen, wenn sie auf der heißen Seite der Zelle (hier nicht dargestellt) auf 800 bis 1000°C und auf der kal­ ten Seite der Zelle (hier nicht dargestellt) auf 200 bis 300°C gehalten wird. Anstelle einer Natriumkonzentrati­ onszelle kann zur Wandlung der Energie auch ein See­ beck-Generator oder ein Stirling-Motor mit nachgeschal­ tetem Generator Verwendung finden.

Die in Fig. 2 dargestellte Hybridanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Anordnung durch die Verwendung eines zusätzlichen Wärmespeichers 3. Bei der hier dargestellten und beschriebenen Hybridanordnung ist der Wärmespeicher 3 im Brennpunkt des Parabolspiegels 4 angeordnet. Der Parabolspiegel 4 ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel beweglich gehaltert (hier nicht dar­ gestellt) und kann der Sonne nachgeführt werden. Der verwendete Wärmespeicher 3 ist als Natriumgasreservoir ausgebildet. Mit Hilfe der auf den Parabolspiegel 4 auf­ treffenden solaren Energie wird der Wärmespeicher 3 auf einer Temperatur von mindestens 850°C gehalten. An den Wärmespeicher 3 ist die zusätzliche Wärmequelle 2 unmit­ telbar angeschlossen. Diese wird wiederum durch einen Brenner gebildet, der mit fossilen Brennstoffen befeuer­ bar ist. Falls der Wärmespeicher 3 sehr groß ausgebildet ist, können selbstverständlich mehrere zusätzliche Wär­ mequellen 2 eingesetzt werden. Bei geminderter Intensi­ tät der solaren Energie wird die Temperatur des Wärme­ speichers 3 mit Hilfe der künstlichen Wärmequelle 2 auf­ rechterhalten. Innerhalb des Wärmespeichers 3 ist minde­ stens ein Meßfühler 6 angeordnet, der zu einer Regel­ strecke 7 gehört. Diese umfaßt eine Regeleinrichtung, welche durch einen Sollwert-Geber 8 und einen Verglei­ cher 9 gebildet wird. Der Aufbau und die Funktionsweise der Regelstrecke 7 und der verwendeten Regeleinrichtung sind in Fig. 1 dargestellt und in der zugehörigen Be­ schreibung erläutert. Das Ausgangssignal des Verglei­ chers 9 dient wiederum als Steuersignal für die Wärme­ quelle 2. Mit Hilfe dieses Steuersignals kann die Wärme­ quelle 2 zu- oder abgeschaltet werden. In Abhängigkeit von der Größe dieses Steuersignals wird die Leistung der Wärmequelle 2 zwischen 0 und maximaler Leistung einge­ stellt. Der Wärmespeicher 3, der bei dem hier darge­ stellten Ausführungsbeispiel als Natriumgasreservoir ausgebildet ist, steht über eine Wärmetransportein­ richtung 10 mit dem Energiewandler in Verbindung. Die Wärmetransporteinrichtung 10 ist als Wärmerohr ausgebil­ det. Anstelle eines Wärmerohres 10 können selbstver­ ständlich auch mehrere Wärmerohre zwischen dem Wärme­ speicher 3 und dem Energiewandler 5 installiert werden. Als Energiewandler 5 wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum eine Natriumkonzentrations­ zelle, ein Seebeck-Generator oder ein Stirling-Motor mit nachgeschaltetem Generator verwendet.

Claims (9)

1. Hybridanordnung zur Umwandlung von solarer in elektrische Energie mit einem die solare Energie bün­ delnden optischen Bauelement (4), sowie einem Energie­ wandler (5) dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Ener­ giewandler (5) eine mit fossilen Brennstoffen betriebene zusätzliche Wärmequelle (2) vorgesehen ist, die bei ge­ minderter Intensität der solaren Energie über eine Re­ geleinrichtung (8, 9) zuschaltbar ist.

2. Hybridanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Energiewandler (5) im Brennpunkt eines Parabolspiegels (4) angeordnet und die zusätzliche Wär­ mequelle (2) unmittelbar mit dem Energiewandler (5) ver­ bunden ist.

3. Hybridanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Brennpunkt des Parabolspiegels (4) ein Wärmespeicher (3) angeordnet ist.

4. Hybridanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmespeicher (3) als Natriumgasreser­ voir ausgebildet ist.

5. Hybridanordnung nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (3) über wenigstens eine Wärmetransporteinrichtung (10) mit dem Energiewandler (5) verbunden ist.

6. Hybridanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler (5) als Natriumkonzentrationszelle, als Seebeck-Generator oder als Stirling-Motor mit nachgeschaltetem Generator ausgebildet ist.

7. Hybridanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmetransporteinrichtung (10) als Wärmerohr ausgebildet ist.

8. Hybridanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (3) und/oder die zusätzliche Wärmequelle (2) in eine Regel­ strecke (7) integriert sind, welche eine Regeleinrich­ tung (8, 9) aufweist, mit deren Steuersignal die zusätz­ liche Wärmequelle (2) zur Aufrechterhaltung der Soll- Temperatur in dem Wärmespeicher (3) und/oder dem Ener­ giewandler (5) zwischen 0 und maximaler Leistung stufen­ los einstellbar ist.

9. Hybridanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regeleinrichtung einen Sollwert-Geber (8), einen Vergleicher (9) und mindestens einen Meßfüh­ ler (6) aufweist, der innerhalb des Energiewandlers (5) und/oder des Wärmespeichers (3) angeordnet ist.