AT510386A1

AT510386A1 - Kombinierte energie-konvertereinheit zur konversion von energien aus primären und sekundären solaren energiequellen für den einsatz im urbanen umfeld

Info

Publication number: AT510386A1
Application number: AT0105910A
Authority: AT
Original assignee: Hans Hoellwart Forschungszentrum Fuer Integrales Bauwesen Ag
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2012-03-15

Description

I. „Kombinierte Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld“ 1. Technisches Gebiet

Das technische Gebiet der Erfindung betrifft das Bau- und das Energiewesen. Im Bauwesen bewirkt die Erfindung eine neue integrale, urbane Bauform und im Energiewesen die synergetische Zusammenführung von bestehenden technisch-physikalischen Lösungen zur Energiekonversion. 2. Bisheriger Stand der Technik

Auf jedem Quadratmeter Erdoberfläche gelangen durchschnittlich jährlich 1 MWh solarer Energieeinstrahlung. Der größte Teil erwärmt die Meere - es verdunstet Wasser, lässt Hoch-und Tiefdruckgebiete entstehen und die durch Ausgleiche mittels des globalen Windsystems wieder vergehen. Global betrachtet eine Klimamaschine und riesiges Energiespeichersystem, das durch Wetter im Rhythmus der Jahreszeiten wechselt.

Technische Anwendungen wandeln als Insellösungen den primären und sekundären solaren Energieinput in besser kontrollierbare Energieformen wie elektrischen Strom oder technisch nutzbare Wärme um und/oder speichern diese in verfügbaren Speichermedien und/oder transferieren nach Synchronisierung Energieteile in Distributionsnetze.

Zu den primären solare Energiequellen zählen: a. Sonnenlicht - elektromagnetische Strahlung b. Sonnenwind - solare Partikel

Zu den sekundären solare Energiequellen zählen: c. Verdunstung - Niederschlag; d. Atmosphärischer Wind e. Wasserströmungen und Wellenbewegungen f. Erwärmung der Atmosphäre und der Erdoberfläche (Speicherung der solaren Energie in Erdmasse, solare Geowärme ist zu unterscheiden von Geothermie (Erdeigenwärme aus dem Inneren))

Zu den oben stehenden primären und sekundären solaren Energiequellen gibt es folgende technische Lösungen: ad a) Kollektoren, Solarthermie, Heliostaten: Solarzelle, Fotovoltaik, Photosynthese ad b) noch keine technische Lösung: physikalisch von Bedeutung: Sonnensegel ad c) in Verbindung mit Erdgravitation Wasserkraft 1 ad d) Windkraftwerke; Windpark basierend auf Windrädern mit Auftriebsflügeln ad e) in Verbindung mit Mond- und Erdgravitation Gezeiten- und Wellenkraftwerke ad f) Wärmepumpen und Meereswärmekraftwerke. 3. Technische Aufgabe der Erfindung

Die technische Aufgabe der kombinierten Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld liegt in der synergetischen Kombination und Verbesserung von bestehenden Technologien von Energiekonvertern aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den neuen Verwendungszweck im urbanen Umfeld sowie der Verbindung mit Speichertechnologien von konvertierten solaren Energien.

Die Erfindung der kombinierten Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld fasst mehrere Aspekte der Konversion sowie der Speichertechnologien zusammen und lässt sich

WIND-KONVERSION SOLAR-THERMIE ERDMANTELTHERMIE FOTOVOLTAIK S P E CHERTECHNOLOGIEN wie folgt veranschaulichen:

Kombinierte Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld (Abb.l)

Urbanes Umfeld bedeutet für die Erfindung mit reduzierten räumlichen Dimensionen und den erhöhten sicherheitstechnischen Auflagen zurechtzukommen. So lässt sich ein klassischer Windpark mit Windrädern nur auf unbewohntem Terrain realisieren. Sicherheitstechnische Auflagen wie Eisflug, Schattenwurf, Flügelgeräusche und genereller Sicherheitsabstand für den Fall eines Flügelbruches durch Materialschwäche oder Umwelteinflüsse (z.B.: Blitzeinschlag, Sturm oder Erdbeben) stellen eine unüberwindbare Hürde für den urbanen Einsalz dar.

Die Erfindung der kombinierten Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld löst diese Auflagen durch die Auswahl von Konvertertechnologien in geschlossener, modularer Form. Der Windkonverter besteht aus einer geschlossenen Windturbine; die solaren Konverter [Fotovoltaik und Wärmekollektoren) werden fassadenintegriert oder als Aufsatzkonstruktion ausgeführt. Die Geothermieanlagen werden fassadenintegriert realisiert und verbinden thermische Bohrungen (Tiefenbohrung oder wärmetauschende Flächen) mit Wärmepumpen und Speichern bzw. bilden in Verbindung mit den Wärmekollektoren Wärmeaustauschflächen zur Temperierung der Gebäudehülle und deren Innenvoluminas. 4. Beigefügte Zeichnungen

Fig. 1 :

Detail A aus Zeichnung Fig. 2, Fig.3 und Fig. 4 2

Fig. 2:

Kombinierte Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld im Einsatz eines Wohn- oder Bürogebäudes - mit der Konfiguration:

Windenergienutzung durch Wind-Aufdachkonstruktion kombiniert mit Fotovoltaik/Solarthermie Technologie in der Fassadenkonstruktion sowie Erdmantelthermieeinbindung via Wärmepumpe mit Wärmespeicher im Kellergeschoss.

Fig. 3:

Windenergienutzung durch Windkanalführung durch das Gebäudevolumen kombiniert mit Fotovoltaik/Solarthermie Technologie in der Fassadenkonstruktion sowie Erdmantelthermieeinbindung via Wärmepumpe ohne Wärmespeicher.

Fig. 4:

Windenergienutzung durch Windkanalführung durch das Gebäudevolumen kombiniert mit Fotovoltaik/Solarthermie Technologie in der Fassadenkonstruktion und einer Aufdachkonstruktion mit elektrischem Speichersystem im Kellergeschoss sowie Erdmantelthermieeinbindung via Wärmepumpe und Wärmespeicher im Kellergeschoss.

Fig. 5:

Detail B aus Fig. 4 5. Die Erfindung wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist

Die Erfindung der kombinierten Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld ist prinzipiell gekennzeichnet durch die komplette Integration von allen Energiekonverter- und Energiespeicher-Technologien (Abb.l) im und am Gebäudekörper um die Realisierung im urbanen Umfeld zu erschließen. 6. Ausführliche Beschreibung des Erfindungsgegenstandes

Der Erfindungsgegenstand der Erfindung „Kombinierte Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsqtz im urbanen Umfeld" besteht aus der Kombination mehrerer einzelner Energiekonvertereinheiten im Verbund in Verbindung mit Energieleitungen sowie Speichersystemen. Als Energiekonvertereinheiten für die Konversion von primären und sekundären solaren Energiequellen sind folgende Systeme konzipiert: Für die Konversion von Windenergie werden Windkonverter 1 in gebäudeintegrierter Form [im Inneren des Gebäudes) als auch als Aufdachkonstruktion (Windpark) eingesetzt. 3 Für die Umwandlung von direktem oder indirektem, solarem Licht kommen solarthermische Kollektoren 14 und fotoelektrische Solar-Zellen 2 zum Einsatz. Es kann die Fassaden integrierte Variante als singulär flach oder als Be- Verschattungssystem 11 geneigt und/oder ergänzt um Aufdachkonstruktionen zum Einsatz gelangen. Wesentlich für diese Erfindung ist die einheitlich, systemisch zusammengefasste Integration aller Technologie-Komponenten in die Fassade mit all den dafür notwendigen Leitungsführungen. Für die Generierung von Wärme - als auch Kühlung können Erdmantelthermiesysteme 3 die zuvor genannten Systeme erweitern und ergänzen. Das Erdmantelthermiesystem 3 ausgeführt als Rohrleitungssystem im Erdreich in Kombination mit den solarthermischen Kollektoren 14 kann als Speicher- bzw. Puffersystem Tageszeit gegebene Temperaturschwankungen ausgleichen und die sonst gegebene Kühllast des Gebäudes durch Ableitung der Oberflächenwärme reduzieren. Bei nicht verfügbarem Erdreich sollen künstliche Massenspeicher mit Wärmespeicherkapazitäten die Funktionalität der Kühllastbalance gewährleisten.

Energiespeicher entsprechend der konvertierten Energieform und des zu speichernden Zeitraumes gewährleisten die Energieversorgung des Gebäudes in mehreren zu unterscheidenden Stufen: a) Eigenenergiebedarf unterstützend b) Energieautark (kein externer Input) c) Überschuss Energie liefernd (produziert mehr Energie als Bedarf).

Die Kombination der Technologien kann in vielfachster Form zur Erschließung der Erfindung „Kombinierte Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld" führen - es sind hier drei Formen exemplarisch angeführt um den Sachverhalt der Erfindung zu veranschaulichen. a) In Fig. 2 wird sekundäre, solare Energie in Form von atmosphärischem Wind durch Kanäle 6 zu Windkonvertern 1 zu- und abtransportiert. Die Konversion erfolgt durch die vertikal angeordneten Windkonverter 1 und den angekoppelten elektrischen Generatoren zu elektrischer Energie, die zum Eigenbedarf im Gebäude als auch zur Einspeisung in externe Netze verwendet werden. Direkt in die Fassaden integrierte bzw. als Be- und Verschattungselemente 11 ausgeführte fotoelektrische Solar Zellen 2 bzw. solarthermische Kollektoren 14 wandeln die direkte und indirekte solare Strahlung in elektrische (el. Strom) bzw. thermische Energie (Wärme) um. Die Elektrische Energie wird für die Abdeckung des Eigenbedarfs des Gebäudes und für Netzeinspeisungen von Überschussproduktivität verwendet. Die generierte Wärme wird zur Versorgung von Wärmebedarf im Gebäudes (z.ß.: Warmwasseraufbereitung) verwendet bzw. bei gegeben Fernwärmenetzen über Wärmetauscher 13 eingespeist. Je nach Jahreszeit kommt gesammelte Wärme durch integrierte Subsysteme im Winter als Heizungs- im Sommer als Kühlungsantrieb zum Einsatz. Die solarthermischen Kollektoren 14 können darüber hinaus in Kombination mit einem Erdmantelthermiesystem 3 die an der Gebäudeoberflöche auftretenden Erwärmungen über Fassaden integrierte Heizleitungssysteme 10 kontrolliert in das Erdreich ableiten und bei Bedarf wieder entnehmen. Der Antrieb dieser Wärmeströme wird durch eine Wärmepumpe 5 im Keller 8 des Gebäudes betrieben. Um Gebäudewärme und Erdreichwärme physikalisch von einander getrennt zu halten ist im Keller des Gebäudes ein Wärmetauscher 13 konzipiert. 4

Die Konstruktion in Fig. 2 weist eine weitere Besonderheit auf, die eine besondere Nutzung ermöglicht:

Der zentrale Luftschacht 6 im Gebäude erlaubt die Generierung einer kontinuierlichen Abluftströmung durch den Kamineffekt - bei Drehung der Windeintrittfläche einer der Windkonverter 1 normal zur Abluftschachtsaustrittsöffnung kann diese künstliche Luftströmung ebenfalls genutzt werden um elektrische Energie zu generieren, b) In Fig. 3 wird sekundäre, solare Energie in Form von atmosphärischem Wind in freier Strömung in einem Wtndpark der sich aus mehreren Windkonvertern 1 zusammensetzt, am Dach des Gebäudes zu elektrischer Energie umgewandelt. Wie unter Punkt a) ausgeführt werden auch in der Konstruktion von Fig. 2 ausgewählte Systeme miteinander verbunden - es kommen Kombinationen von fotoelektrischen Solar Zellen 2 und solarthermischen Kollektoren 14 fassadenintegrierf zur Einsatz - erweitert um eine Speichereinheit 4 im Keller 8 des Gebäudes, um Energien elektrischer und thermischer Natur zu speichern. Der Speicher sollte die Nennlast des Gebäudes für einen bestimmten Zeitraum gewährleisten können bzw. dient als Puffer zwischen dem Gebäude und eventuellen Netzeinspeisungen. Die Wärmepumpe 5 wird im Unterschied zur Konstruktion in Fig. 2 auch die Funktionen in Verbindung mit dem Energiespeicher 12 bedienen. Wärmemengen können in vielfachster Weise durch Durchfluss- und Wärmepumpen transportiert und beeinflusst werden. Gesammelte Energie aus den fotoelektrischen Solar Zellen 2 und solarthermischen Kollektoren 14 kann bspw. mit Hilfe von Transfersystemen über das Erdmantelthermiesystem 3 in das Erdreich gepumpt oder in den Wärmespeicher 4 gespeichert werden - wenn verfügbar kann die Wärme auch in ein öffentliches Netz eingekoppelt werden. c) Fig. 4 zeigt eine Variante der kombinierten Energie-Konvertereinheit zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld, die die Integration von Windkonvertern 1 wie in Fig. 2 dargestellt gebäudeintegriert aufweist. Die freien Dachflächen werden zusätzlich zu den Fassadenflächen genutzt um fotoelektrischen Solar Zellen 2 und solarthermischen Kollektoren 14 zur Produktion von elektrischem Strom bzw. thermischer Energie einsetzen zu können.

Der Erfindung eigen ist der kombinierte Einsatz der technischen Subsysteme - solarthermische Kollektoren 14 in Verbindung mit Erdmantelthermiesystemen 3 angetrieben von elektrisch betriebenen Wärmepumpen 5 gespeist mit elektrischem Strom aus fotoelektrischen Zellen 2 und Windkonvertern 1. 5

Claims

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Anspruch 2: Kombinierte Energie-Konvertereinheiten zur Konversion von Energien aus primären und sekundären solaren Energiequellen für den Einsatz im urbanen Umfeld nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die komplette Integration und Anbindung aller Energiekonverter- und Energiespeicher-Technologien in beliebiger funktioneller Verbindung mit dem Gebäudekörper (9). NACHGEREICHT 6