EP2422056A2 - Verfahren und anlage zur gekoppelten solarthermischen strom-, wärme- und kälteerzeugung - Google Patents

Verfahren und anlage zur gekoppelten solarthermischen strom-, wärme- und kälteerzeugung

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EP2422056A2
EP2422056A2 EP09799482A EP09799482A EP2422056A2 EP 2422056 A2 EP2422056 A2 EP 2422056A2 EP 09799482 A EP09799482 A EP 09799482A EP 09799482 A EP09799482 A EP 09799482A EP 2422056 A2 EP2422056 A2 EP 2422056A2
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EP
European Patent Office
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steam
heat
cooling
refrigeration
heating
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Withdrawn
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EP09799482A
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English (en)
French (fr)
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Richard Krotil
Christian Pinter
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PINTER, CHRISTIAN
Original Assignee
Krotil Richard
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B1/08—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of jet type, e.g. using liquid under pressure using vapour under pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for coupled solar thermal power, heat and cooling.
  • the working fluid is vaporized by connecting a solar panel and the live steam is supplied to a steam screw motor for power generation and on the other a jet compressor for heat and cold generation.
  • Coupled power, heat and cooling methods and plants according to the present invention are used in particular for the supply of buildings with electricity, heat for hot water and heating and refrigeration for air conditioning.
  • the working medium, preferably water, of a jet compressor is evaporated in a known manner by connecting a solar collector, and the working medium vapor condenses after compression by the jet compressor.
  • the cooled condensate is partly used as a refrigerant in the evaporator for cooling the objects via heat exchangers and led to the other part back to the solar collector to provide working medium vapor.
  • the present method is characterized in that in addition to the provision of cooling via the steam jet compressor, power is also provided via a steam screw motor and heat for heating and hot water preparation via the condenser.
  • steam is generated solar-thermally from a parabolic trough collector or reflector in the forced-circulation or natural circulation principle to provide the drive energy.
  • the live steam is supplied in contrast to P. Nores not only a jet compressor for cooling production, but also supplied to a steam screw motor for power generation according to the regulation of a steam steam control valve. This has the advantage that, depending on the cooling or electricity demand, the live steam supply for the steam screw motor can be increased or reduced according to a mass flow control or for the jet compressor according to a bypass control, without having an effect on the heat production for the heating and hot water supply ,
  • the present method and the system for coupled electricity, heat and cooling can also be operated in a pure power operation or cooling operation with or without coupled heat supply for heating or hot water.
  • at least one steam screw motor, a jet compressor, a condenser, an evaporator and a solar steam generator (parabolic trough collector, reflector), which supplies the energy for generating the live steam, must be present as system components.
  • the solar steam generator comprises a parabolic trough collector or a reflector with steam drum and is designed for direct evaporation of the working fluid for the steam screw motor and jet compressor.
  • the generation of electricity by means of a steam screw motor has the advantage that a screw motor has a good partial load behavior and is insensitive to changes in steam quality. Load fluctuations between 30% and 100% of the nominal electrical power are easily handled. This is particularly advantageous for a cold or heat-controlled operation of the present system. In addition, results in steam screw motors a low maintenance.
  • the operating behavior is much less complicated than in other known combined heat and power plants (CHP systems), since depending on the application for cooling (air conditioning or process cooling) with water or ammonia, a pure substance is used as a working fluid , For this reason, the present CHP plant can be realized without complex materials and plant components.
  • the investment costs are therefore low compared to other CHP systems, the electricity, heat and cooling provided purely by a single compact system.
  • the method also provides very good dynamic performance with short response times.
  • the live steam - according to the required temperature levels in the heating / hot water circuit - in the steam screw motor and / or in the jet compressor is not relaxed to the conventional condenser pressure. This causes a deterioration of the partial efficiencies for the provision of electricity and cooling.
  • the given parameters are considered, this results in an overall efficiency of 118% for the coupled solar thermal power, heat and cooling generation, which is more efficient than with conventional power heating and cooling systems.
  • the power control of the present system is based solely on a steam control valve, which determines the amount of fresh steam supply for power generation or cooling, without having an impact on the heat supply for heating or hot water.
  • the system can also be operated in pure current mode, in which the entire live steam flow through the main steam valve supplied to the steam screw motor and the resulting heat at the condenser - without demand of hot water and heating water - is discharged via a recooling unit to the environment.
  • the excess steam can be discharged via the steam screw motor and / or jet compressor on the condenser to the environment. It is more expedient, of course, to buffer the excess steam in the form of thermal energy in the heating / hot water circuit or in the form of cold energy in the cold water circuit.
  • a distribution of the drive energy for the provision of electricity and cooling is to be carried out via an appropriate regulation of the live steam fitting and of the throttle body before the evaporator.
  • check valves can be provided in the suction line between the jet compressor and the evaporator, which ensure that no re-evaporation can take place in the evaporator from the condenser.
  • appropriate storage in the heating / hot water circuit or in the cold water circuit must be provided to counteract the low solar offer.
  • FIG. 1 shows an example of the present coupled solar thermal power, heat and cooling plant, which in this embodiment with a steam screw motor 3, a jet apparatus (compressor) 4, an indirect connection to the cold water circuit 27 and the heating AVarmwassernikank 28 is realized.
  • the drive energy steam is provided solar thermal and consists of a parabolic trough collector or reflector 11, a steam drum 9, an evaporator pump 10 and from the circulation evaporator circuit 17th
  • the solar steam generation 11 (parabolic trough collector, reflector) steam is generated directly from the water circulated by the evaporator pump 10 by solar radiation.
  • the steam generated in the steam generator 11 is generated as live steam 18 via a steam dryer 12 and a steam control valve 13 on the one hand a steam screw motor 3 for power generation and on the other as motive steam 20 a jet apparatus (compressor) 4 for heating and cooling fed.
  • the steam screw motor converts the enthalpy gradient into mechanical energy and transmits it via a conversion gear 2 to an asynchronous generator 1. After the expansion of the live steam 19, the steam leaves the steam screw motor 3 as exhaust steam 21.
  • the jet apparatus 4 supplied as motive steam 20 sucks in accordance with the principle of pulse exchange suction 23 from the cold water heat exchanger 6 at the required temperature and the resulting mixed steam 22 is compressed in the jet apparatus 4 to the condenser pressure level.
  • a check valve 15 is installed between the cold water heat exchanger 6 and the jet apparatus 4.
  • the compressed mixed steam 22 is condensed together with the relaxed from the steam propulsion engine 3 Abdampfstrom 21 as a condenser stream 24 in the heating / hot water heat exchanger 5, while the usable heat is given to the heating AVarmwassernikmaschinewan 28 and fed to the condenser 7.
  • the heating / hot water at a flow temperature of 60 ° C and a return temperature of 50 0 C is provided.
  • a partial flow of the condensate 25 is returned via a feedwater pump 8 of the steam drum 9, and is thus the solar steam generation available again.
  • feedwater pump 8 When feeding the condensate 25 to the steam drum 9 of the solar steam generator 11 is to pay attention to a continuous control of Kondensatzulaufs 25, otherwise there may be an irregular power, heat and cooling provision. This can be prevented via a speed-controlled feedwater pump 8 in conjunction with a level measurement in the steam drum 9. Between the feedwater pump 8 and the steam drum 9, a check valve 16 is installed.
  • the other partial flow in the condenser feed evaporator 26 is fed via a controlled throttle valve 14 to the cold water heat exchanger 6 where it evaporates by removing the heat from the cold water circuit 27 and the suction apparatus 23 is the jet apparatus (compressor) 4 available.
  • cold water with a flow temperature of 6 0 C and return temperature of 12 0 C is provided. Due to the high temperature level in the heating- ⁇ Varmingernikmaschineank 28 there is a deterioration of the partial efficiencies for the provision of electricity and cooling, however, results in the present embodiment with the specified parameters, a total efficiency of 118% for the coupled solar thermal power, heat and cooling and thus a higher efficiency than conventional cogeneration plants.
  • the present embodiment of FIG. 1 can be operated by regulating the steam control valve 13 even in a pure power operation or cooling operation with or without coupled heat supply for heating or hot water.
  • a cold storage in the cold water circuit 27 and a hot water tank in the heating / hot water circuit 28 to provide a continuous Energybereist ein to ensure.
  • These stores are not part of the present process and the associated system for coupled solar thermal power, heat and cooling.
  • the power generation in the asynchronous generator 1 is used to cover the personal needs for the auxiliary energy of running system (feedwater pump 8, evaporator 10, control, pumps in heating AVarmingernikank 28 and cold water circuit 27 and fans for the eventual recooling of the excess heat at the heating AVarminger- heat exchanger ) and for the supply of an object and / or for feeding into the public power grid.
  • Heating AVarm water heat exchanger (cooling water)
  • AEE Solar Process Heat, Renewable Energy Consortium (AEE), Journal for a Sustainable Energy Future, 2005-3

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur gekoppelten solarthermischen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung. Dabei wird das Arbeitsmedium durch Anbindung eines Sonnenkollektors (11) verdampft und der Frischdampf (18) wird zum einen einem Dampfschraubenmotor (3) zur Stromerzeugung und zum anderen einem Strahlverdichter (4) zur Wärme- und Kälteerzeugung bereitgestellt. Durch Regelung der Frischdampfmenge (18) ist ein stromgeführter oder kältegeführter Betrieb sowie ein reiner Strombetrieb oder Kältebetrieb mit oder ohne gekoppelte Wärmebereitstellung für Heiz- bzw. Warmwasser der Anlage möglich. Je nach Anforderung an der Kälteseite kann als Arbeitsmedium Wasser oder Ammoniak zur Erzeugung von Klimakälte bzw. Prozesskälte bei gleichzeitiger Bereitstellung von Strom und Wärme eingesetzt werden. Das Verfahren bzw. die Anlage erzielt eine höhere Gesamteffizienz als herkömmliche Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bei verringertem anlagentechnischem Aufwand und geringeren Investitionskosten.

Description

Verfahren und Anlage zur gekoppelten solarthermischen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur gekoppelten solarthermischen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung. Dabei wird das Arbeitsmedium durch Anbindung eines Sonnenkollektors verdampft und der Frischdampf wird zum einen einem Dampfschraubenmotor zur Stromerzeugung und zum anderen einem Strahlverdichter zur Wärme- und Kälteerzeugung zugeführt. Gekoppelte Strom-, Wärme- und Kältebereitstellungsverfahren und -anlagen gemäß der vorliegenden Erfindung werden insbesondere zur Versorgung von Gebäuden mit Strom, Wärme zur Warmwasserbereitung und zur Beheizung sowie mit Kälte zur Klimatisierung eingesetzt. Zudem ist durch Einsatz eines entsprechenden Arbeitsmittels auch eine Bereitstellung von Prozesskälte unterhalb von 0 °C bei gleichzeitiger Bereitstellung von Strom und Wärme mit diesem vorliegenden gekoppelten Verfahren zu realisieren.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der gekoppelten Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung, auch bekannt unter Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK), sind unterschiedliche Techniken bekannt. Dabei werden vorwiegend die bereits bekannten Kraft- Wärme-Kopplungsprozesse (Dampfprozesse, Gasturbinenprozesse, Gas- und Dampfturbinenprozesse, Diesel- und Gasmotorenprozesse, Alternative Prozesse wie z.B.: Dampfkolbenmotorprozess oder ORC-Prozess, Innovative Prozesse, wie z.B.: Brennstoffzelle, Stirling-Motor oder Dampfschraubenmotor) in Verbindung mit einem Kälteprozess gesetzt. Bei den Kälteprozessen kommen insbesondere Wasser- LiBr-Absorptionskältemaschinen, das DEC- Verfahren (desiccative and evaporative cooling), Wasser-Silica-Gel-Adsorptionskältemaschine oder Wasser- Ammoniak- Absorptionskältemaschinen (insbesondere für Temperaturen unter 0°C) zum Einsatz.
Bei diesen Techniken entstehen hohe kapital-, Verbrauchs- und betriebsgebundene Kosten. Aus P. Nores „Thermische Kälteerzeugung mit Dampfstrahlkältemaschinen - Konzepte und Erfahrungen", KI Luft- und Kältetechnik, 11/2006, sind ein Verfahren sowie eine Anlage zur solarthermischen Kälteerzeugung bekannt, bei denen Kältemittel eines Strahlverdichters durch Anbindung eines Sonnenkollektors verdampft und der Kältemitteldampf nach Verdichtung durch den Strahlverdichter unter Wärmeabgabe kondensiert wird. Bei diesem Verfahren wird ausschließlich Kälte zur Klimatisierung oder zur Kühlung im Temperaturbereich von -5 bis +20°C bei Leistungen von 10 bis 15000 kW mit Hilfe von Sonnenenergie bereit gestellt. Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Anlage zur gekoppelten solarthermischen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung aufzuzeigen, die mit verringerten Investitionskosten und geringem anlagentechnischem Aufwand realisiert werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anlage gemäß den Patentansprüchen 1 bis 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anlage können den Unteransprüchen sowie dem Ausführungsbeispiel entnommen werden.
Bei dem vorliegenden Verfahren wird in bekannter Weise durch Anbindung eines Sonnenkollektors das Arbeitsmittel, bevorzugt Wasser, eines Strahlverdichters verdampft und der Arbeitsmitteldampf nach Verdichtung durch den Strahlverdichter kondensiert. Das abgekühlte Kondensat wird zum Teil als Kältemittel im Verdampfer zur Kühlung der Objekte über Wärmetauscher eingesetzt und zum anderen Teil zurück zum Sonnenkollektor zur Bereitstellung von Arbeitsmitteldampf geführt. Das vorliegende Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich zur Kältebereitstellung über den Dampfstrahlverdichter auch Strom über einen Dampfschraubenmotor und Wärme zur Beheizung und Warmwasserbereitung über den Kondensator bereitgestellt werden.
Bei dem hier vorliegenden Konzept einer gekoppelten Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung wird zur Bereitstellung der Antriebsenergie Dampf solarthermisch aus einem Parabolrinnen- kollektor oder Reflektor im Zwangsumlauf- oder Naturumlaufprinzip erzeugt. Der Frischdampf wird im Gegensatz zu P. Nores nicht nur einem Strahlverdichter zur Kälteproduktion zugeführt, sondern entsprechend der Regelung einer Frischdampfregelarmatur auch einem Dampfschraubenmotor zur Stromerzeugung zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass je nach Kälte- oder Strombedarf die Frischdampfzufuhr für den Dampfschraubenmotor entsprechend einer Massenstromregelung bzw. für den Strahlverdichter entsprechend einer Bypassregelung erhöht oder reduziert werden kann, ohne dabei eine Auswirkung auf die Wärmeproduktion für die Heizung und für die Warmwasserbereitstellung zu haben.
Das vorliegende Verfahren sowie die Anlage zur gekoppelten Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung kann auch in einem reinen Strombetrieb oder Kältebetrieb mit oder ohne gekoppelte Wärmebereitstellung für Heiz- bzw. Warmwasser betrieben werden. Dazu müssen als Anlagenkomponenten zumindest ein Dampfschraubenmotor, ein Strahlverdichter, ein Kondensator, ein Verdampfer und ein solarer Dampferzeuger (Parabolrinnenkollektor, Reflektor), der die Energie für die Erzeugung des Frischdampfes liefert, vorhanden sein. Der solare Dampferzeuger umfasst einen Parabolrinnenkollektor bzw. einen Reflektor mit Dampftrommel und ist zur direkten Verdampfung des Arbeitsmittels für den Dampfschraubenmotor und Strahlverdichter ausgebildet.
Die Erzeugung von Strom mittels Dampfschraubenmotor hat den Vorteil, dass ein Schraubenmotor ein gutes Teillastverhalten hat und unempfindlich auf Änderung der Dampfqualität ist. Lastschwankungen zwischen 30 % und 100 % der elektrischen Nennleistung werden problemlos bewältigt. Dies ist vor allem für einen kälte- bzw. wärmegeführten Betrieb der vorliegenden Anlage von Vorteil. Zudem ergibt sich bei Dampfschraubenmotoren ein geringer Wartungsaufwand.
Das Betriebs verhalten ist wesentlich unkomplizierter als bei anderen bekannten Kraft- Wärme- Kälte-Kopplungs-Anlagen (KWKK-Anlagen), da je nach Einsatzgebiet für die Kühlung (Klima- bzw. Prozesskälte) mit Wasser bzw. Ammoniak ein Reinstoff als Arbeitsmittel verwendet wird. Aus diesem Grunde kann die vorliegende KWKK-Anlage ohne aufwendige Werkstoffe und Anlagenteile realisiert werden. Die Investitionskosten sind daher im Vergleich zu anderen KWKK-Anlagen gering, die Strom, Wärme und Kältebereitstellung erfolgt rein durch eine einzige kompakte Anlage. Zudem stellen die verwendeten Arbeitsmitteln keine globale Umweltbelastung dar (ODP Ozonschicht-Abbaupotential = Null, GWP) Treibhauspotential = Null). Das Verfahren bietet weiterhin ein sehr gutes dynamisches Betriebsverhalten mit kurzen Ansprechzeiten.
Im vorliegenden Verfahren bzw. in der Anlage wird der Frischdampf - entsprechend des geforderten Temperaturniveaus im Heiz-/Warmwasserkreislauf - im Dampfschraubenmotor und/oder im Strahlverdichter nicht auf den herkömmlichen Kondensatordruck entspannt. Dies bewirkt eine Verschlechterung der Teilwirkungsgrade für die Strom- und Kältebereitstellung. Betrachtet man jedoch wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 1) die angegebenen Parameter, so ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 118 % für die gekoppelte solarthermische Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung, was eine höhere Effizienz als bei herkömmlichen Kraft- Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlagen darstellt. Gekoppelte Dampf- und Gasturbinenprozesse (GUD-Prozesse) - auf dem neuesten Stand der Technik - erreichen Gesamtwirkungsgrade von maximal 90 %.
Nach Nutzung der Kondensatorwärme für die Heizung und/oder für die Warmwasserbereitung, erfolgt je nach Bedarf im Kondensatorsammler eine Aufteilung des Kondensats. Ein Teil wird über ein Drosselventil dem Verdampfer zur Kälteerzeugung und ein anderer Teil wird über die Speisewasserpumpe der Dampftrommel zur solaren Dampferzeugung zugeführt. Im Gegensatz zu P. Nores wird auf einen internen Kältespeicher verzichtet. Je nach Schwankungen des Kälte- bzw. Heiz-AVarmwasserbedarfs ist ein Kältespeicher im Kaltwasserkreislauf bzw. ein Warmwasserspeicher im Heiz-/Warmwasserkreislauf vorzusehen um einen bedarfsgerechten kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten. Diese Speicher sind nicht Bestandteil des vorliegenden Verfahrens sowie der zugehörigen Anlage zur gekoppelten solarthermischen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung.
Falls überschüssige Wärme am Kondensator anfällt, welche nicht mehr genutzt bzw. gespeichert werden kann, muss diese je nach Einsatzort entsprechend rückgekühlt werden. Die Leistungsregelung der vorliegenden Anlage erfolgt ausschließlich über eine Frischdampfregelarmatur, welche die Menge der Frischdampfzufuhr für die Stromerzeugung bzw. Kälteerzeugung bestimmt, ohne dabei einen Einfluss auf die Wärmebereitstellung für Heizung bzw. Warmwasser zu haben.
Für den Fall, dass ein geringer Kältebedarf vorliegt (z.B.: Winterbetrieb), wird über die Frischdampfregelarmatur mehr Dampf dem Dampfschraubenmotor zugeführt und zur Stromerzeugung verwendet. Dieser Strom steht - je nach Nachfrage und Einspeisetarif - für den Eigenbedarf zur Verfügung oder kann in das öffentliche Netz eingespeist werden. Die dabei am Kondensator anfallende Wärme kann wiederum je nach Nachfrage von Warmwasser und Heizwasser zur Warmwasserbereitstellung und zur Beheizung des Gebäudes verwendet werden. Überschüssige Produktion von Warm- bzw. Heizwasser muss durch Pufferung im Heiz-AVarmwasserkreislauf abgefedert oder durch eine Rückkühlanlage rückgekühlt werden. Nach Kondensation des Arbeitsmittels muss bei einer entsprechend geringen Nachfrage an Kälte, das Drosselventil nach dem Kondensatorsammler entsprechend geregelt werden, so- dass mehr Arbeitsmittel über die Speisewasserpumpe der solaren Dampferzeugung zugeführt wird.
Tritt der Fall ein, dass ein großer Kältebedarf vorliegt (z.B.: Sommerbetrieb), so muss mehr Frischdampfmenge über die Frischdampfregelarmatur dem Strahlverdichter zugeführt werden und das Drosselventil nach dem Kondensatorsammler muss so geregelt werden, dass dem Verdampfer ein Teilstrom zur Kaltwasserproduktion und der restliche Kondensatorstrom zur solaren Dampferzeugung zur Verfügung steht. Falls gleichzeitig auch Wärme zur Warmwasserbereitstellung zur Verfügung gestellt werden soll, so geschieht dies unabhängig von der Nachfrage an Kälte und Strom über den Kondensator.
Besteht ein gleichzeitiger Bedarf an Strom und Kälte, so ist dies über eine entsprechende Auslegung der Einzelkomponenten und Regelung der Frischdampfarmatur und des Drosselventils der vorliegenden Anlage zur gekoppelten Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung zu bewerkstelligen. Die Anlage kann auch im reinen Strombetrieb betrieben werden, in dem der gesamte Frischdampfstrom über die Frischdampfarmatur dem Dampfschraubenmotor zugeführt und die anfallende Wärme am Kondensator - ohne Nachfrage von Warmwasser und Heizwasser - über eine Rückkühleinheit an die Umgebung abgeführt wird.
Je nach solarem Angebot kann zu viel oder zu wenig Frischdampf für die Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte zur Verfügung stehen. Sollte das solare Energieangebot größer als der Bedarf an Antriebsenergie sein, so kann der überschüssige Dampf über den Dampfschraubenmotor und/oder Strahlverdichter am Kondensator an die Umgebung abgegeben werden. Zweckmäßiger ist es natürlich den Überschussdampf in Form von Wärmeenergie im Heiz-/ Warmwasserkreislauf bzw. in Form von Kälteenergie im Kaltwasserkreislauf zu puffern. Bei solarem Unterangebot ist über eine entsprechende Regelung der Frischdampfarmatur und des Drosselorgans vor dem Verdampfer eine Aufteilung der Antriebsenergie für die Strom- und Kältebereitstellung durchzuführen. Zudem können Rückschlagklappen in der Saugleitung zwischen Strahlverdichter und Verdampfer vorgesehen werden, die sicherstellen, dass aus dem Kondensator keine Rückverdampfung in den Verdampfer erfolgen kann. Außerdem sind entsprechende Speicher im Heiz- / Warmwasserkreislauf bzw. im Kaltwasserkreislauf vorzusehen um dem geringem solaren Angebot gegenzusteuern.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Anlage zur gekoppelten solarthermischen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung werden nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung Fig. 1 nochmals kurz erläutert.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig.1 zeigt ein Beispiel der vorliegenden gekoppelten solarthermischen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugungsanlage, die in dieser Ausführung mit einem Dampfschraubenmotor 3, einem Strahlapparat (Verdichter) 4, einer indirekten Anbindung an den Kaltwasserkreislauf 27 und den Heiz-AVarmwasserkreislauf 28 realisiert wird.
Die Antriebsenergie Dampf wird solarthermisch bereitgestellt und besteht aus einem Parabol- rinnenkollektor oder Reflektor 11, einer Dampftrommel 9, einer Verdampferpumpe 10 sowie aus dem Umlaufverdampferkreislauf 17.
In der solaren Dampferzeugung 11 (Parabolrinnenkollektor, Reflektor) wird durch Sonneneinstrahlung direkt Wasserdampf aus dem mit der Verdampferpumpe 10 umgepumpten Wasser erzeugt. Dieser Wasserdampf gelangt in die Dampftrommel 9. Der im Dampferzeuger 11 erzeugte Dampf wird als Frischdampf 18 über einen Dampftrockner 12 und eine Frischdampfregelarmatur 13 zum einen einem Dampfschraubenmotor 3 zur Stromerzeugung und zum anderen als Treibdampf 20 einem Strahlapparat (Verdichter) 4 zur Wärme- und Kälteerzeugung zugeführt. Im vorliegenden Beispiel wird Frischdampf mit einem Druck von p = 7,9 bar und einer Temperatur von t = 170 °C bereitgestellt. Der Dampfschraubenmotor wandelt das Enthalpiegefälle in mechanische Energie um und überträgt diese über ein Umsetzungsgetriebe 2 an einem Asynchrongenerator 1. Nach der Entspannung des Frischdampfes 19, verlässt der Dampf als Abdampf 21 den Dampfschraubenmotor 3.
Der dem Strahlapparat 4 als Treibdampf 20 zugeführte Dampf saugt nach dem Prinzip des Impulsaustausches Saugdampf 23 aus dem Kaltwasser- Wärmetauscher 6 bei der erforderlichen Temperatur an und der entstehende Mischdampf 22 wird im Strahlapparat 4 auf das Kondensatordruckniveau verdichtet. Zwischen dem Kaltwasser- Wärmetauscher 6 und dem Strahlapparat 4 ist ein Rückschlagventil 15 eingebaut. Der verdichtete Mischdampf 22 wird zusammen mit dem aus dem Dampfschraubenmotor 3 entspannten Abdampfstrom 21 als Kondensatorstrom 24 im Heiz-/Warmwasser Wärmetauscher 5 kondensiert, dabei wird die nutzbare Wärme an den Heiz-AVarmwasserkreislauf 28 abgegeben und dem Kondensatorsammler 7 zugeführt. Im vorliegenden Beispiel wird Heiz-/ Warmwasser mit einer Vorlauftemperatur von 60 °C bzw. Rücklauftemperatur von 50 0C bereitgestellt. Aus dem Kondensatorsammler 7 wird ein Teilstrom des Kondensats 25 über eine Speisewasserpumpe 8 der Dampftrommel 9 zurückgeführt, und steht somit der solaren Dampferzeugung wieder zur Verfügung. Bei der Zuführung des Kondensats 25 zur Dampftrommel 9 des solaren Dampferzeugers 11 ist auf eine kontinuierliche Regelung des Kondensatzulaufs 25 zu achten, da es sonst zu einer unregelmäßigen Strom-, Wärme- und Kältebereitstellung kommen kann. Dies kann über eine drehzahlgeregelte Speisewasserpumpe 8 in Verbindung mit einer Füllstandsmessung in der Dampftrommel 9 verhindert werden. Zwischen der Speisewasserpumpe 8 und der Dampftrommel 9 ist ein Rückschlagventil 16 eingebaut. Der andere Teilstrom im Kondensatorzulauf Verdampfer 26 wird über ein geregeltes Drosselventil 14 dem Kaltwasser- Wärmetauscher 6 zugeführt wo er durch Entzug der Wärme aus dem Kaltwasserkreislauf 27 verdampft und als Saugdampfstrom 23 dem Strahlapparat (Verdichter) 4 zur Verfügung steht. Im vorliegenden Beispiel wird Kaltwasser mit einer Vorlauftemperatur von 6 0C bzw. Rücklauftemperatur von 12 0C bereitgestellt. Auf Grund des hohen Temperaturniveaus im Heiz-ΛVarmwasserkreislauf 28 kommt es zu einer Verschlechterung der Teilwirkungsgrade für die Strom- und Kältebereitstellung, jedoch ergibt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit den angegebenen Parametern ein Gesamtwirkungsgrad von 118 % für die gekoppelte solarthermische Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung und somit eine höhere Effizienz als bei herkömmlichen Kraft- Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlagen.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel Fig. 1 kann durch die Regelung der Frischdampfregelarmatur 13 auch in einem reinem Strombetrieb oder Kältebetrieb mit oder ohne gekoppelte Wärmebereitstellung für Heiz- bzw. Warmwasser betrieben werden.
Je nach Wärme- bzw. Kältebedarf des zu versorgenden Objektes ist ein Kältespeicher im Kaltwasserkreislauf 27 bzw. ein Warmwasserspeicher im Heiz-/Warmwasserkreislauf 28 vorzusehen um eine kontinuierliche Energiebereiststellung zu gewährleisten. Diese Speicher sind nicht Bestandteil des vorliegenden Verfahrens sowie der zugehörigen Anlage zur gekoppelten solarthermischen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung.
Die Stromerzeugung im Asynchrongenerator 1 dient zur Abdeckung des Eigenbedarfs für die Hilfsenergien der ausgeführten Anlage (Speisewasserpumpe 8, Verdampferpumpe 10, Regelung, Pumpen im Heiz-AVarmwasserkreislauf 28 und Kaltwasserkreislauf 27 und Ventilatoren für die eventuelle Rückkühlung der überschüssige Wärme am Heiz-AVarmwasser- Wärmetauscher 5) sowie für die Versorgung eines Objektes und/oder zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz. Bezugszeichenliste
Asynchrongenerator
Umsetzungsgetriebe
Dampfschraubenmotor
Strahlapparat (Verdichter)
Heiz-AVarmwasser- Wärmetauscher (Kühlwasser)
Kaltwasser- Wärmetauscher
Kondensatorsammler
Speisewasserpumpe
Dampftrommel
Verdampferpumpe
Solare Dampferzeugung (Parabolrinnenkollektor, Reflektor)
Dampftrockner
Frischdampfregelarmatur
Drosselventil
Rückschlagventil (Rückschlagverhinderer)
Rückschlagventil (Rückschlagverhinderer)
Umlaufverdampferkreislauf
Frischdampfstrom
Frischdampfeintritt
Treibdampf
Abdampfaustritt
Mischdampf
Saugdampfstrom
Kondensatorstrom
Kondensatorzulauf Speisewasser
Kondensatorzulauf Verdampfer
Kaltwasserkreislauf
Heiz- / Warmwasserkreislauf Literaturliste
Nores, P.: „Thermische Kälteerzeugung mit Dampfstrahlkältemaschinen - Konzepte und Erfahrungen", KI Luft- und Kältetechnik, 11/2006
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Frauenhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung: „Verfahren zur Solarthermischen Kälteerzeugung mit Parabolrinnenkollektoren als Treibdampferzeuger und Dampfstrahlkältemaschine", Patentanmeldung am 29. November 2001, München, F 25 B 27/00
Körting, J.: Strom aus fester Biomasse - Der neue Dampfschraubenmotor, klein und wirtschaftlich, Vortrag BENO Bioenergie Niedersachsen, 07/1999, Göttingen
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur gekoppelten solarthermischen Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung, bei dem ein Arbeitsmedium durch Anbindung eines solaren Dampferzeugers (11) verdampft und der Frischdampf (18) zum einen einem Dampfschraubenmotor (3) zur Stromerzeugung und zum anderen einem Strahlapparat (4) zur Wärme- (5) und Kälteerzeugung (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfschraubenmotor (3) und der Strahlapparat (4) als Dampfstahlverdichter parallel mit variabel geregeltem Frischdampf (18) über eine Frischdampfregelarmatur (13) beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als solarer Dampferzeuger (11) ein Parabolrinnenkollektor oder ein Reflektor eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Wasser zur Versorgung von Gebäuden mit Strom-, Wärme zur Warmwasserbereitung und zur Beheizung sowie mit Klimakälte eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dädufch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium auch Ammoniak zur Bereitstellung von Prozesskälte unterhalb von 0 °C bei gleichzeitiger Bereitstellung von Strom und Wärme mit diesem vorliegenden gekoppelten Verfahren zu realisieren ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass Heiz- bzw. Warmwasser (28) auf einem Temperaturniveau von 60 °C zur Verfügung steht.
6. Anlage für ein Verfahren nach Anspruch 1 mit zumindest einem Dampfschraubenmotor (3) zur Stromerzeugung, zumindest einem Strahlapparat (4) zur Verdichtung von aus Treibdampf (20) und Saugdampf (23) zusammengesetzten Mischdampf (22), zumindest einem solarem Dampferzeuger (11) zur direkten Verdampfung des Arbeitsmediums als Frischdampf (18) für den Dampfschraubenmotor (3) und als Treibdampf (20) für den Strahlapparat (4) dadurch gekennzeichnet dass die Anlage mit zumindest einer Frischdampfregelarmatur (13) zur variablen Strom- und Kältebereitstellung, zumindest einem Heiz-/Warmwasser- Wärmetauscher (5) zur Heiz- bzw. Warmwassererzeugung und zumindest einem Kaltwasser- Wärmetauscher (6) zur Kälteerzeugung ausgebildet ist.
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