EP4659346A1 - Anlage zum gewinnen erneuerbarer energie - Google Patents

Anlage zum gewinnen erneuerbarer energie

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Publication number
EP4659346A1
EP4659346A1 EP24702989.5A EP24702989A EP4659346A1 EP 4659346 A1 EP4659346 A1 EP 4659346A1 EP 24702989 A EP24702989 A EP 24702989A EP 4659346 A1 EP4659346 A1 EP 4659346A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
photovoltaic modules
outer walls
space
enclosed
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24702989.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Hierl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Swh Innovations GmbH
Original Assignee
Swh Innovations GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023102730.1A external-priority patent/DE102023102730A1/de
Application filed by Swh Innovations GmbH filed Critical Swh Innovations GmbH
Publication of EP4659346A1 publication Critical patent/EP4659346A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/10—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
    • H02S10/12—Hybrid wind-PV energy systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S20/00—Supporting structures for PV modules
    • H02S20/10—Supporting structures directly fixed to the ground
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/42—Cooling means
    • H02S40/425—Cooling means using a gaseous or a liquid coolant, e.g. air flow ventilation, water circulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time

Definitions

  • the invention relates to a plant for generating renewable energy, in particular for generating electrical power from sunlight.
  • systems for generating renewable energy There are many different types of systems for generating renewable energy. Examples of systems for generating renewable energy include wind turbines and photovoltaic systems, but also solar thermal systems for generating heat from sunlight or geothermal systems for generating heat from the ground.
  • Photovoltaic systems typically comprise an arrangement of photovoltaic modules, which in turn are made up of solar cells.
  • the surface of the photovoltaic modules formed by the solar cells is typically flat and enclosed by a frame.
  • Photovoltaic modules are often mounted on roofs on frameworks in open-air systems.
  • DE 20 2022 002 406 U1 discloses a greenhouse in which the wall and/or roof consist, at least in part, of plate-shaped photovoltaic thermal collectors (PVT collectors).
  • PVT collectors plate-shaped photovoltaic thermal collectors
  • Photovoltaic thermal collectors are composites of plates made of a material that is transparent to light with solar cells and media-carrying lines.
  • the invention is based on the object of creating a plant for generating renewable energy which is suitable for installation on a limited area.
  • a system for generating renewable energy which comprises photovoltaic modules and a support structure for the photovoltaic modules.
  • the support structure encloses a room and, together with the photovoltaic modules, forms at least six, preferably eight or more outer walls which define an at least hexagonal, preferably octagonal or polygonal floor plan of the enclosed room.
  • the surface normals defined by the photovoltaic modules on the outer walls point in at least six, preferably octagonal or more different directions defined by the at least hexagonal, preferably octagonal or polygonal floor plan.
  • the individual angles are ideally identical; for example, a 10-corner corner has a 36-degree change in direction from its neighbor and the total alignment of all photovoltaic modules is 360°.
  • a spherical arrangement of the photovoltaic modules would be optimal in this regard.
  • the photovoltaic modules are also attached to the supporting structure in such a way that the photovoltaic modules are ventilated on their rear side facing the interior of the enclosed space so that they can be cooled by an air flow.
  • the photovoltaic modules are provided on all external walls - i.e. on all sides.
  • each external wall is formed or covered by at least 80% photovoltaic modules, i.e. all external walls preferably have the same number of (similar) photovoltaic modules. The latter is advantageous in view of the desired almost constant output power over many hours of a day.
  • photovoltaic modules in open-air systems can be optimally aligned to the sun and can even be tracked if necessary
  • the alignment on house roofs is largely determined by the alignment of the respective roof surface or facade.
  • the yield that can be achieved with a photovoltaic system depends, among other things, on the alignment of its photovoltaic modules. With photovoltaic modules aligned in the same direction, the photovoltaic modules deliver maximum electrical output precisely when the solar radiation is at the smallest angle to the surface normal of the photovoltaic modules - i.e. exactly once a day.
  • the electrical power generated by the photovoltaic modules is approximately constant over several hours of a day because the photovoltaic modules - or more precisely: their surface normals - are aligned in at least six different directions.
  • the area of the system according to the invention that is directly illuminated during the day is the daily cycle remains almost constant because the outer walls of the inventive plant for generating renewable energy with its photovoltaic modules form a versatile prism that is close to a cylindrical shape.
  • the system for generating renewable energy according to the invention also has north-facing photovoltaic modules that are hardly exposed to direct sunlight and therefore produce a comparatively low yield.
  • the less productive photovoltaic modules mean that the system for generating renewable energy according to the invention produces an almost constant output over a significant part of a day, with changing directions of incidence of sunlight and changing positions of the sun.
  • the preferred vertical orientation of the outer walls also contributes to this, which represents a departure from the otherwise preferred orientation at a 35° angle and means that the light of the low sun in the morning and evening is used better than the light of the sun at midday.
  • the all-round arrangement of the photovoltaic modules has the advantage that parts of the direct radiation from the sun, over the course of the day, i.e. when the sun azimuth varies depending on the time of day, fall on an almost constantly equal-sized directly illuminated area on the photovoltaic modules of the inventive system for generating renewable energy.
  • a cylinder-like arrangement e.g. 6-cornered
  • photovoltaic modules in a conical-like arrangement as a type of roof above the side walls without projecting laterally over the side walls
  • an almost constant, consistent total output power supplied by the photovoltaic modules is achieved over the course of the day, even when the sun's height changes depending on the time of day.
  • This diffuse radiation is received equally by all photovoltaic modules and thus the photovoltaic modules facing away from the sun in winter are able to make the same contribution as the south-facing modules.
  • the sum of direct and diffuse radiation is the total radiation and it is precisely this use that is maximized by the present invention for the maximum possible annual yield when using diffuse radiation through all-round module alignment (the entire hemisphere emits diffuse radiation).
  • direct solar radiation the sun varies over the course of the day in two sizes, the solar azimuth (compass direction) and the solar altitude (at midday at the zenith).
  • the almost constant output power over as long a portion of the day as possible means that the output power can be used more efficiently because all electrical consumers and the inverters do not have to be designed in relation to the possible peak power of all photovoltaic modules taken together, but rather to the total power of the inventive system for generating renewable energy, which results from the non-optimal alignment of many photovoltaic modules and which is relatively constant over many hours of a given day.
  • a system for generating renewable energy which comprises one or more inverters which are electrically connected to the photovoltaic modules and which together are designed for an electrical output which less than 50% of the peak electrical output of all photovoltaic modules combined.
  • the yield is significantly higher than that which can be achieved with a photovoltaic system of the same footprint with tracking photovoltaic modules ("mover"), since the total area of the photovoltaic modules of the system according to the invention for generating renewable energy is larger than that of a photovoltaic system with tracking photovoltaic modules.
  • the photovoltaic modules are arranged in such a way that they do not shade each other and are therefore spaced horizontally apart from each other.
  • the system according to the invention for generating renewable energy can even achieve an annual yield that is more than twice as high as that of a photovoltaic system with tracking photovoltaic modules, which is due to the proportion of diffuse radiation which a photovoltaic system with tracking photovoltaic modules cannot use to any significant extent due to the small active photovoltaic module area.
  • the radiation-receiving area of all photovoltaic modules available for photovoltaics is approximately 4 to 5 times larger than the base area of the system according to the invention for generating renewable energy.
  • the system according to the invention for generating renewable energy thus offers two main advantages over known photovoltaic systems: firstly, electrical energy can be generated with a significantly higher area-specific yield (relative to the base area of the system according to the invention for generating renewable energy) and secondly, this energy can be generated very continuously, i.e. with uniform output, on sunny days over the course of a day.
  • the side walls of the supporting structure are vertical and at least approximately form a cylinder and if a preferably provided roof structure with photovoltaic modules forms a cone or truncated cone with an almost circular cross-section. If there is a hole in the tip of the cone for a wind turbine, the overall daily course of the generated electrical power can be "set" to horizontal again by the angle of inclination of the photovoltaic modules in the tip of the cone (ie the roof structure), thus achieving an almost constant output.
  • the supporting structure together with the photovoltaic modules forms at least six, preferably eight or more outer walls, which define an at least hexagonal, preferably octagonal or polygonal floor plan of the enclosed space.
  • the floor plan preferably has the shape of a regular polygon and thus comes close to the shape of a cylinder.
  • the ratio of the height of the external walls - without the preferably provided slanted photovoltaic modules of a roof structure - to the diameter of the floor plan is preferably between 0.75 and 1.25. This ratio is particularly advantageous in combination with a roof structure equipped with photovoltaic modules because it results in the desired output power that is almost constant over several hours of a day, since the photovoltaic modules of the roof structure compensate for a reduced output power of the other photovoltaic modules when the sun is very high at midday in summer.
  • the external walls that define the floor plan of the enclosed space are vertical, rectangular and adjacent to each other.
  • the outer walls define a floor plan with a maximum outer diameter of less than 5 m, preferably less than 4 m.
  • the supporting structure comprises a roof structure that supports inclined photovoltaic modules that are oriented in different directions.
  • the system comprises an air heat pump which, during operation, is fed by air flowing along the inside of the photovoltaic modules, cooling the photovoltaic modules and thus preheating them.
  • the air heat pump can be operated with a particularly favorable COP (coefficient of performance), so that a comparatively large amount of heat can be generated with the electricity driving the air heat pump.
  • the heat output emitted by the air heat pump can, for example, correspond to four to five times the electrical power required to drive the air heat pump.
  • Air heat pump here refers to all heat pumps that use air as a heat source and includes all air heat pump designs such as monoblock and split designs.
  • the outer walls are provided with air ducts, for example flow channels, for rear ventilation of the photovoltaic modules, which are arranged and configured such that air is guided against the direction of convection along the back of the photovoltaic modules and to the air heat pump.
  • air ducts for example flow channels
  • the movement of the air against the direction of convection is preferably caused by a fan or blower of the air heat pump.
  • the additional yield achieved by cooling the photovoltaic modules exceeds the power required to operate the fan for heat pump operation (e.g. 1.2 kWh), or pure cooling operation with reduced fan speed (0.5 kWh).
  • the significantly greater benefit is the additional heat energy that can be made available to the heat pump for domestic water heating in summer.
  • This additional usable heat energy leads to a reduction in the electrical energy required to operate the heat pump with a constant heat requirement.
  • the additional usable heat energy results from the air preheated by cooling the photovoltaic modules.
  • a photovoltaic module cooled according to the invention has an annual increase in electricity yield of typically 5% to 10% compared to a system without photovoltaic modules cooled by ambient air.
  • the electrical requirement of the fan, which is necessary to generate the forced flow is ideally speed-controlled and operated in accordance with the cooling effect, unless the heat pump has an increased current heating requirement (e.g. hot water).
  • an apartment building with 48 residential units has an average hot water energy requirement of 550 kWh_th per day in summer.
  • a COP of 4 137.5 kWh_el would be required.
  • the COP can be increased to an average of 5. This means that only 110 kWh_el are required to cover the hot water energy requirement. This value also corresponds approximately to the daily yield of a system according to the invention for generating renewable energy.
  • the air heat pump is electrically connected to the photovoltaic modules in such a way that the air heat pump can be operated with electrical power generated by the photovoltaic modules. Due to the particularly favorable COP of the air heat pump in the intended arrangement, the result is a system that can provide heat particularly efficiently.
  • a gas storage unit namely a pressureless hydrogen or oxygen storage unit
  • the system preferably comprises an electrolyzer in order to generate hydrogen using photovoltaically generated electricity, which can be stored in the gas storage unit.
  • the hydrogen generated can also be used, for example with the help of a fuel cell, to generate and provide electricity even when the photovoltaics cannot provide any or sufficient electrical power, e.g. on winter days.
  • the system according to the invention for generating renewable energy delivers an almost constant electrical output power over many hours of the day.
  • the system according to the invention for generating renewable energy can be designed in conjunction with an electrolyzer so that the power requirement of the electrolyzer during its optimal operation corresponds to the almost constant electrical output power of the system according to the invention for generating renewable energy over many hours of the day. This allows the electrolyzer to be operated at around 3000 full load hours over the course of a year, whereas with conventional photovoltaic systems in conjunction with an electrolyzer this is only around 1000 full load hours per year.
  • a further advantageous aspect is that the ventilation of the unpressurized hydrogen storage system by the air being guided along the inside of the photovoltaic modules to cool them increases the safety of the operation of the unpressurized hydrogen storage system, because any hydrogen escaping through leaks is inevitably diluted to such an extent that it can be easily detected and thus no danger arises.
  • a system with a supporting structure of the type described here and photovoltaic modules attached to it, as well as a gas storage unit and an electrolyzer, represents an independent inventive concept that can also be implemented independently of other aspects described here, such as the air cooling of the photovoltaic modules.
  • a system for generating renewable energy which comprises photovoltaic modules and a support structure for the photovoltaic modules, wherein the support structure encloses a space and, together with the photovoltaic modules, forms outer walls of the enclosed space, the surface normals of which, defined by the photovoltaic modules, point in at least three different directions.
  • a gas storage unit is arranged in the enclosed space and the system comprises an electrolyzer which is electrically connected to the photovoltaic modules in such a way that the electrolyzer can be operated with electrical current generated by the photovoltaic modules and generates hydrogen during operation.
  • the gas storage unit is preferably enclosed in a flexible, gas-tight envelope like a balloon and thus has a variable internal volume which is completely filled with hydrogen or oxygen during operation.
  • a fuel cell can be operated with pure oxygen during reconversion to electricity, resulting in increased efficiency, gentler operation and a longer service life than when using ambient air with its potential contamination, e.g. active harmful gases such as carbon monoxide, sulphur dioxide or other gases that damage catalysts.
  • a system comprising both at least one hydrogen storage facility and at least one oxygen storage facility is equipped with an electrolyzer that generates hydrogen and oxygen simultaneously. When water is electrolyzed, two parts hydrogen (H2) and one part oxygen (O2) are produced.
  • the system comprises a wind turbine that has a mast that runs through the center of the space enclosed by the outer walls.
  • the mast of the wind turbine is preferably a telescopic mast, with the help of which the wind turbine can optionally assume a retracted state in which the wind turbine is located within the space enclosed by the outer walls and possibly a roof structure, and an extended state in which the wind turbine is located outside the space enclosed by the outer walls and possibly a roof structure.
  • Figure 1a a side view of a plant according to the invention for generating renewable energy with an extended wind turbine
  • Figure 1 b a side view of a plant according to the invention for generating renewable energy with retracted wind turbine
  • Figure 1c a perspective view of the plant according to the invention for generating renewable energy from Figures 1a and 1b;
  • Figure 2a a side view of an alternative system according to the invention for
  • Figure 2b a plan view of the plant according to the invention for generating renewable energy according to Figure 2a;
  • Figure 2c a perspective view of a system according to the invention for
  • Figure 3a - d Diagrams illustrating a typical course of the generated electrical power over different sunny days
  • Figure 5 a perspective view of a system according to the invention for
  • Figure 6 an alternative plant according to the invention for generating renewable energy in perspective view
  • Figures 7a, b two side views of the plant for generating renewable energy corresponding to Figures 1a and 1b;
  • Figures 8a, b two perspective views of a system with a wind turbine and a photovoltaic system
  • Figure 9 a schematic representation of a system according to the invention for
  • Figures 10a, b two diagrams to illustrate a ventilation system for photovoltaic modules in combination with an air heat pump
  • Figures 11 a, b two further views to illustrate the rear ventilation of the photovoltaic modules
  • Figures 12a, b two side views of two different plants according to the invention for generating renewable energy with integrated gas storage.
  • a system 10 for generating renewable energy has a supporting structure 12 with photovoltaic modules 14 attached to it.
  • the supporting structure 12 with the photovoltaic modules 14.1 forms outer walls 16 that enclose a room 18.
  • the outer walls 16 are vertical and define a polygonal floor plan.
  • a total of ten laterally adjacent, vertically standing outer walls 16 are provided, which define an overall decagonal floor plan.
  • Each outer wall 16 is formed by a corresponding supporting structure 12 and two photovoltaic modules 14 arranged one above the other.
  • the supporting structure 12 also forms a roof structure 20 that supports a total of five inclined photovoltaic modules 14.2.
  • the number of photovoltaic modules 14 shown in the example is a typical embodiment and depends on the dimensions and/or the space required at the installation site.
  • the side walls with the photovoltaic modules 14.1 form a regular prism, i.e. a straight prism with a regular polygon as the base.
  • the inclined photovoltaic modules 14.2 are preferably provided on the top of the prism.
  • the inclined photovoltaic modules 14.2 are preferably inclined at an angle of between 30° and 60° to the vertical.
  • the height of the side walls - these are the outer walls 16 - preferably corresponds approximately to the diameter of the floor plan, for example between 0.75 and 1.25 times the diameter of the floor plan.
  • a mast 24 for a wind turbine 26 ( Figures 1a and 1b) or 26' ( Figures 2a and 2b) can also be provided in the center of the enclosed space.
  • the wind turbine 26 or 26' is attached to the mast 24 or 24' in such a way that the wind turbine 26 or 26' can be moved up and down along the mast 24 or 24', so that the wind turbine 26 can assume a retracted position and an extended position.
  • the mast 24 or 24' can be a telescopic mast for this purpose. In the retracted position, the wind turbine 26 or 26' is located in the enclosed space 18, while the wind turbine 26 or 26' in its extended state is located above the roof structure 20.
  • the roof structure 20 encloses a central opening 28 through which the wind turbine 26 or 26' can be extended and retracted.
  • Figure 7a shows the wind turbine 26 in the extended state and
  • Figure 7b shows the wind turbine 26 in the retracted state.
  • Figure 5 illustrates a system 10 according to the invention for generating renewable energy, in which the supporting structure 12 supports the roof structure 20 with a total of five inclined photovoltaic modules 14.2 which enclose the central opening 28 through which the wind turbine 26 or 26' can be extended and retracted.
  • a roof structure 20' can also be provided which does not enclose a central opening, but is formed, for example, by six photovoltaic modules 14.2, as shown in Figure 6.
  • the floor plan defined by the walls 16 means that the outer surfaces of the photovoltaic modules 14.1 are oriented in practically all directions.
  • the decagonal floor plan is almost circular.
  • the orientation of the photovoltaic modules 14.1 in all directions means that the electrical power generated over the course of a sunny day does not just have a single narrow maximum around midday, but is almost constantly high over several hours, for example over eight hours.
  • the lower curve shows a typical course of the electrical power generated over a day when the power is generated by photovoltaic modules that are all oriented towards the south (and in the example case are inclined by 35° degrees). In this case, the highest electrical power is generated around midday. Since the angle of incidence of the sun changes over the course of the day, the electrical power generated by the photovoltaic modules aligned in this way also changes.
  • the arrangement of the photovoltaic modules according to the invention on vertical walls along an approximately circular floor plan - more precisely: along a floor plan in the form of a regular polygon - in combination with the inclined photovoltaic modules 14.2 of the roof structure 20 means that, as the angle of incidence of the sun changes over the course of the day, different photovoltaic modules repeatedly deliver their respective maximum electrical output at a different time of day. This leads to the approximately equal output shown in Figures 3a to 3d and in Figure 4 over the course of several hours.
  • the number of photovoltaic modules 14.1 on the side walls 16 and the number of photovoltaic modules 14.2 on the roof structure 20 also depends on the size of the system 10 for generating renewable energy. Typical sizes can be, for example, the following: 3.5 m diameter of the floor plan; the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 have an installed capacity of approx. 10kWp and, when in operation, for example over a longer period of a sunny day, deliver around 4kW of electrical power;
  • the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 have an installed capacity of approx. 97.5 kWp and deliver about 40kW of electrical power during operation, for example over a longer period of a sunny day,
  • the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 have an installed capacity of approximately 1100kWp and, when in operation, for example over a longer period of a sunny day, deliver approximately 440kW of electrical power; see also Figures 12a and 12b, which show a system with gas storage for storing hydrogen produced by electrolysis during the sunny season.
  • the system for generating renewable energy is connected to at least one electrical consumer whose power consumption corresponds to the electrical power supplied by the system 10 for generating renewable energy. Then a significant extension of the regenerative full usage hours of solar energy can be achieved all year round, when the sun's equinoctial line is exceeded (in the period between March 21 and September 23), compared to elevated photovoltaic modules or inclined photovoltaic systems on a roof by more than 15%.
  • the wind turbine 26 or 26' which can be extended and retracted using the telescopic mast 24 or 24', also contributes to the fact that the system 10 can achieve a higher yield all year round than with single-sided, elevated photovoltaic modules.
  • a wind turbine typically delivers more energy in the winter months than in the sunny summer months. This means that, especially in combination with photovoltaic modules and air/water heat pumps, there are more possible hours of full use of solar and wind energy.
  • An alternative renewable energy generation system 10' comprises a wind turbine 26'" with a fixed tower 24'" around the base of which a supporting structure 12' with photovoltaic modules 14 attached thereto is arranged, which is similar to the renewable energy generation system 10 according to Figures 1 and 2; see Figures 8a and 8b.
  • the vertical side walls 16 forming a cylinder can be in In the embodiment shown, the roof structure 12' can support approximately 2000 modules and the roof structure, which forms a truncated cone, can support approximately 754 modules that enclose an opening through which the tower 24"' of the wind turbine 26"' protrudes.
  • the supporting structure 12' with the photovoltaic modules 14 attached to it also encloses an interior space 18, which can be used, for example, to store gaseous hydrogen.
  • FIGS 9, 10 and 11 show that on the inside of the walls 16 - i.e. on the back of the photovoltaic modules
  • a rear ventilation is provided for cooling the photovoltaic modules 14.1 and 14.2.
  • a rear wall 30 is preferably provided at a distance that promotes the air flow, so that a flow channel 32 is formed between the rear of the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 and the rear wall 30.
  • This can be fluidically connected to the heat pump 22.
  • the heat pump 22 can already be operated with preheated air, so that the performance figure (COP: Coefficient of Performance) of the heat pump 22 is increased.
  • the heat pump is preferably designed as a monoblock or as a split device variant. At the same time, the efficiency of the photovoltaic modules is avoided
  • air guiding elements are preferably provided in the flow channel 32, which ensure turbulence in the flowing air. This increases the convective heat transfer coefficient between the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 and the air flowing past.
  • the heat pump 22 is an air heat pump with a heat exchanger 22.1 and a fan 22.2
  • the rear wall 30 on the back of the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 enables controlled ventilation of the PV modules. This increases the electrical efficiency with constant diffuse and direct sunlight, since photovoltaic modules 14.1 and 14.2 have a PTC characteristic, i.e. the electrical (internal) resistance is lower at lower temperatures.
  • the rear walls 30 can also be designed to be thermally insulating, depending on the application.
  • the air is heated by heat transfer.
  • the air entering the outdoor unit can be preheated on the back of the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 before entering the heat pump's evaporator, thereby increasing the efficiency of the heat pump 22 in sunlight/daylight. This makes it possible to reduce running time and save energy further.
  • Cooling air on the back of the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 is sucked from top to bottom against the direction of convection.
  • air ducts e.g. flow channels, are provided on the back of the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 through which the air is guided along the back of the photovoltaic modules 14.1 and 14.2.
  • the air duct can be formed, for example, by the rear wall 30.
  • the additional yield achieved by cooling the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 exceeds the power required to operate the fan 22.2 for heat pump operation (e.g. 1.2 kWh), or pure cooling operation with reduced fan speed (0.5 kWh).
  • the significantly greater benefit is the additional heat energy that can be made available to the heat pump 22 for domestic water heating in summer.
  • This additional usable heat energy leads to a reduction in the electrical energy required to operate the heat pump with a constant heat requirement.
  • the additional usable heat energy results from the air preheated by cooling the photovoltaic modules 14.1 and 14.2. According to the example mentioned at the beginning, an apartment building with 48 residential units has an average hot water energy requirement of 550 kWh of heat energy per day in summer.
  • the annual performance factor of a heat pump of a system according to the invention for generating renewable energy thus reaches values that are comparable to a brine heat pump.
  • the cooling of the photovoltaic modules 14.1 and 14.2 can also be done by a fan or blower 34, whereby the electrical energy consumption should be lower than the additional gain in electrical energy achieved by cooling.
  • the interior space 18 can be used in a variety of ways; in smaller versions, it can be used as a storage room for garden tools, bicycles or similar everyday items. With monoblock heat pumps, the heat is transferred to the building via well-insulated, mostly underground pipes. In well-insulated buildings that have high solar radiation inputs, for example through south-facing windows, intermediate storage in a heat storage unit is recommended in order to temporarily store the solar yield from electricity to heat at night or until the next day. If it is not possible to install the heat storage unit inside the building, the interior space 18 can be used for this purpose.
  • volume increases to the third power when the diameter is doubled and the height is doubled. This means that the volume can ideally be used to store volatile solar and wind energy.
  • a large volume is ideal for energy storage with hydrogen, which has a low density at normal pressure.
  • a gas reservoir 36 for hydrogen or oxygen can be provided in the interior 18, see Figures 12a and 12b.
  • the gas reservoir 36 is preferably a pressureless gas reservoir.
  • the gas reservoir 36 can be a balloon with a small volume, see Figure 8b.
  • the gas reservoir 36 can have a rolling membrane that is loaded at the top with a weight plate (see Figure 8a), as can be found in gasometers, for example. Depending on the design, these can then also be found with slight overpressures, but up to a maximum of 50 mbar.
  • Other possible designs for the gas reservoir 36 are telescopic gas containers, bell-shaped gas containers, wet gas containers, disc gas containers, screw gas containers and spherical containers.
  • the rolling membrane 38 or the balloon envelope 38' are preferably formed from a gas-tight, flexible material web or film.
  • the system 10 is equipped with an electrolyzer 40.
  • This is electrically connected at least indirectly (e.g. via appropriate converter electronics or inverter) to the photovoltaic modules 14.1 and 14.2.
  • the electrolyzer is connected to the interior of the gas storage unit 36 via a gas line (not shown) in order to be able to feed hydrogen generated by the electrolyzer 40 into the gas storage unit 36.
  • the gas storage unit 36 can be connected to a further gas line (also not shown) in order to feed hydrogen contained in the gas storage unit 36, for example, to a fuel cell or a gas boiler, each of which is typically not a direct component of the system 10.
  • the electrolyzer 40 Since the gas storage 36 is pressureless and the hydrogen produced by the electrolyzer 40 does not have to be compressed, the electrolyzer 40 is able to fill the gas storage 36 directly.
  • the design and running time of the electrolyzer 40 allow the ⁇ production and thus the filling speed of the gas storage 36 to be specified directly.
  • a compressor does not need to be taken into account because it is not required.
  • the system shown in Figures 8a and 8b can also have a pressureless gas storage facility inside, as shown as an example in Figures 12a and 12b.
  • a pressureless gas storage facility inside, as shown as an example in Figures 12a and 12b.
  • electricity can also be generated from stored hydrogen via a fuel cell and then distributed via the local wind transformer into the public grid, industrial grid or even at e-charging stations as electricity generated from 100% renewable energy and used, for example, for recharging (DC).
  • DC recharging
  • such a plant for generating renewable energy is connected to one or more fuel cells, which can preferably provide heat for the buildings in the heating center, so that not only the electricity generated by the fuel cell and the hydrogen, but also the heat generated can be used.
  • fuel cells which can preferably provide heat for the buildings in the heating center, so that not only the electricity generated by the fuel cell and the hydrogen, but also the heat generated can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage (10) zum Gewinnen erneuerbarer Energie, welche Photovoltaikmodule (14.1, 14.2) und eine Tragkonstruktion (12) für die Photovoltaikmodule (14.1, 14.2) umfasst. Die Tragkonstruktion (12) umschließt einen Raum (18) und bildet zusammen mit den Photovoltaikmodulen (14.1, 14.2) Außenwände (16) des umschlossenen Raums (18), deren von den Photovoltaikmodulen (14.1, 14.2) definierten Flächennormalen in wenigstens drei verschiedene Himmelsrichtungen weisen. Die Photovoltaikmodule (14.1, 14.2) sind derart an der Tragkonstruktion (12) befestigt, dass die Photovoltaikmodule (14.1, 14.2) auf ihrer zum Inneren des umschlossenen Raums (18) weisenden Rückseite von einem Luftstrom gekühlt werden können.

Description

Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie, insbesondere zum Gewinnen von elektrischem Strom aus Sonnenlicht.
Anlagen zum Gewinnen erneuerbarer Energie sind in vielfältiger Form bekannt. Beispiele für Anlagen zum Gewinnen erneuerbarer Energien sind Windenergieanlagen und Photo- voltaikanlagen, aber auch solarthermische Anlagen zum Gewinnen von Wärme aus Sonnenlicht oder geothermische Anlagen zum Gewinnen von Wärme auch dem Erdreich.
Photovoltaikanlagen umfassen typischerweise eine Anordnung von Photovoltaikmodulen, die sich ihrerseits wiederum aus Solarzellen zusammensetzten. Die von den Solarzellen gebildete Oberfläche der Photovoltaikmodule ist typischerweise eben und von einem Rahmen eingefasst. Photovoltaikmodule sind häufig auf Hausdächern auf Ständerwerken in Freilandanlagen montiert. Aus DE 20 2022 002 406 U1 ist beispielsweise ein Gewächshaus bekannt, bei dem die Wand und/oder das Dach wenigstens bereichsweise aus plattenförmigen Photovoltaisch-Thermischen Kollektoren (PVT-Kollektoren) bestehen. Photovoltaisch-Thermische Kollektoren sind Verbünde aus Platten aus einem für Licht transparenten Material mit Solarzellen und medienführenden Leitungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie zu schaffen, die sich für eine Installation auf einer begrenzten Fläche eignet. Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe eine Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie vorgeschlagen, welche Photovoltaikmodule und eine Tragkonstruktion für die Photovoltaikmodule umfasst. Die Tragkonstruktion umschließt einen Raum und bildet zusammen mit den Photovoltaikmodulen mindestens sechs, vorzugsweise acht oder mehr Außenwände bildet, die einen wenigstens sechseckigen, vorzugsweise acht- oder mehreckigen Grundriss des umschlossenen Raums definieren. Dabei weisen die von den Photovoltaikmodulen an den Außenwänden definierten Flächennormalen in wenigstens sechs, vorzugsweise acht- oder mehr verschiedene, durch den wenigstens sechseckigen, vorzugsweise acht- oder mehreckigen Grundriss definierte Himmelsrichtungen. Die Einzelwinkel sind dabei idealerweise identisch, ein 10 Eck hat z.B. 36 Grad veränderte Himmelsrichtung zum Nachbar und die Gesamtsumme der Ausrichtung aller Photovoltaikmodule 360°, Eine sphärische Anordnung der <Photovoltaikmodule wäre diesbezüglich optimal. Die Photovoltaikmodule sind außerdem derart an der Tragkonstruktion befestigt, dass die Photovoltaikmodule auf ihrer zum Inneren des umschlossenen Raums weisenden Rückseite derart hinterlüftet sind, dass sie von einem Luftstrom gekühlt werden können.
Die Photovoltaikmodule sind an allen Außenwänden - also allseitig - vorgesehen. Vorzugsweise ist jede Außenwand zu wenigstens 80% von Photovoltaikmodulen gebildet oder bedeckt, d.h. alle Außenwände tragen vorzugsweise die gleiche Anzahl von (gleichartigen) Photovoltaikmodulen. Letzteres ist im Hinblick auf die gewünschte über viele Stunden eines Tages annähernd konstante Ausgangsleistung vorteilhaft.
Während Photovoltaikmodule in Freilandanlagen optimal zur Sonne ausgerichtet sein und ggf. sogar nachgeführt werden können, ist die Ausrichtung auf Hausdächern weitestgehend durch die Ausrichtung der jeweiligen Dachfläche oder Fassade vorgegeben. Der Ertrag, der mit einer Photovoltaikanlage erzielt werden kann, hängt unter anderem von der Ausrichtung von deren Photovoltaikmodulen ab. Bei gleichsinnig ausgerichteten Photovoltaikmodulen liefern die Photovoltaikmodule genau dann eine maximale elektrische Leistung, wenn die Sonneneinstrahlung den kleinsten Winkel gegenüber der Flächennormalen der Photovoltaikmodule hat - also genau einmal am Tag.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie ist die von den Photovoltaikmodulen erzeugte elektrische Leistung jedoch über mehrere Stunden eines Tages annähernd konstant, weil die Photovoltaikmodule - genauer: deren Flächennormalen - in mindestens sechs verschiedene Himmelsrichtungen ausgerichtet sind. Dadurch ist die über den Tag direkt beschienene Fläche der erfindungsmäßigen Anlagen ist über den Tagesgang nahezu konstant, weil die Außenwände der erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie mit ihren Photovoltaikmodulen ein vielseitiges Prisma bilden, dass einer Zylinderform nahe kommt.
Dies stellt eine Abkehr von üblichen Konzeptionen dar, weil die erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie auch nach Norden weisende Photovoltaikmodu- le aufweist, die kaum direkter Sonnenstrahlung ausgesetzt sind und deshalb einen vergleichsweise geringen Ertrag liefern. Allerdings führen die weniger ertragreichen Photo- voltaikmodule dazu, dass die erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie über einen wesentlichen Teil eines Tages bei wechselnder Einfallsrichtung des Sonnenlichts und wechselndem Sonnenstand eine annähernd konstante Ausgangsleitung liefert. Hierzu trägt auch die bevorzugte senkrechte Ausrichtung der Außenwände bei, die eine Abkehr von der ansonsten bevorzugten Ausrichtung im 35° Winkel darstellt und dazu führt, dass das Licht der tiefstehenden Sonne am Morgen und am Abend besser genutzt wird, als das Licht der Sonne zur Mittagszeit.
Die allseitige Anordnung der Photovoltaikmodule hat den Vorteil, dass Anteile der direkten Strahlung der Sonne, über den Tagesverlauf, d.h. bei uhrzeitabhängig unterschiedlichem Sonnenazimut, auf eine nahezu konstant gleich große direkt beschienene Fläche bei der Photovoltaikmodule der erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie trifft. Durch die Kombination von Photovoltaikmodulen gebildeten Seitenwänden in zylindermantel-ähnlicher Anordnung (z.B. 6 Eck) mit Photovoltaikmodulen in kegelmantel-ähnlicher Anordnung als eine Art Dach oberhalb der Seitenwände (ohne seitlich über die Seitenwände überzustehen) wird ein nahezu konstanter, gleichbleibender von den Photovoltaikmodulen gelieferten Gesamtausgangsleistung über den Tagesverlauf auch bei sich uhrzeitabhängig verändernder Sonnenhöhe erreicht. Photovoltaikmodule auf der Nordseite empfangen in deutschen, Mitteleuropäischen geographischen Breitengraden, ausschließlich im Sommer in den Morgen- und Abendstunden direkte Sonnstrahlung, im Frühling, Herbst und Winter gar keine Direktstrahlung. In den typischen Mitteleuropäischen Regionen zwischen dem 40° und 60° nördlichen Breitegrad sind die Sonnenscheinstunden zwischen ca. 20% und 40% des theoretischen Maximalwerts von 4380 Stunden im Jahr. 4380h ist die Hälfte von 8760h also Tag/Nacht, dass bedeutet im Umkehrschluss das der Himmel zu 80% bis 60% der Tage im Jahr bedeckt ist. Durch die Absorptions-und Reflektionswirkung der Atmosphäre und der daraus resultierenden Emission der Atmosphäre (Ausstrahlung) wird die Atmosphäre selber zur Strahlungsquelle. Dies wird auch als Diffusstrahlung bezeichnet, sie ist hauptsächlich an bedeckten Tagen isotrop, ist demnach ungerichtet und die gesamte Hemisphäre (Halbraum einer Kugel) strahlt. Diese Diffusstrahlung wird von allen Photovoltaikmodulen gleichermaßen empfangen und somit sind auch die im Winter sonnenabgewandten Photovoltaikmodule in der Lage, die selben Beiträge zu leisten, wie die südlich ausgerichteten Module. Die Summe aus Direkt- und Diffusstrahlung ist die Gesamtstrahlung und genau deren Nutzung wird durch die vorliegende Erfindung für den maximal möglichen Jahresertrag bei der Nutzung der Diffusstrahlung durch allseitige Modulausrichtung maximiert (gesamte Hemisphäre emittiert diffuse Strahlung). Für die Nutzung der direkten Sonnenstrahlung variiert die Sonne über den Tagessverlauf in 2 Größen, dem Sonnenazimut (Himmelsrichtung) und der Sonnenhöhe (mittags im Zenit), Durch die beschriebene Geometrie der Anordnung der Photovoltaikmodule bei der vorliegenden Erfindung ist es an wolkenfreien Sonnenscheintagen möglich über den Tagesverlauf eine gleichbleibend große direktbeschienene Fläche bereitzustellen. Die Photovoltaikleistung ist so über den Tagesverlauf nahezu konstant und zur Sommersonnenwende sind so in Europa 16 bis 18 Stunden direkte Nutzung an einem Tag möglich.
Die annähernd konstante Ausgangsleistung über einen möglichst langen Anteil des Tages führt dazu, dass die Ausgangsleistung effizienter genutzt werden kann, weil sämtliche elektrischen Verbraucher und die Wechselrichter nicht in Bezug auf die mögliche Peakleistung aller Photovoltaikmodule zusammengenommen ausgelegt werde müssen, sondern auf die Gesamtleistung erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie, die sich aus der nicht-optimalen Ausrichtung vieler Photovoltaikmodule ergibt und die über viele Stunden eines jeweiligen Tages relativ konstant ist.
Hieraus ergeben sich als weitere Vorteile z.B. ein höherer Direktnutzungsanteil am erzeugten elektrischen Strom, da die benötigte Leistung über einen größeren Tageszeitanteil und damit einen längeren Zeitraum bereitsteht. Wenn die erzeugte elektrische Leistung beispielsweise zum Betreiben eines Elektrolyseurs genutzt wird, ergeben sich für diesen mehr Vollbetriebsstunden, d.h. Betriebsstunden mit maximaler oder Nennleistung. Damit ist weniger Einspeisen oder Speichern von Strom erforderlich, da weniger Überschuss zu Spitzenzeiten produziert wird, dafür aber die benötigte Leistung über einen längeren Tageszeitraum zur Verfügung steht und voll genutzt werden kann.
Eine vorteilhafte Konsequenz ist, dass Wechselrichter oder auch Gleichspannungswandler nur für max. 40% der Peakleistung der Photovoltaikmodule ausgelegt werden müssen. Bevorzugt ist daher eine Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie, die einen oder mehrere Wechselrichter umfasst, die elektrisch mit den Photovoltaikmodulen verbunden sind und die zusammengenommen für eine elektrische Leistung ausgelegt sind, die weniger als 50% der elektrischen Spitzenleitung aller Photovoltaikmodule zusammengenommen beträgt.
Wegen Nutzung der diffusen Einstrahlung ergibt sich sogar erheblich mehr Ertrag als mit einer Photovoltaikanlage gleicher Grundfläche mit nachgeführten Photovoltaikmodulen ("Mover") erzielt werden kann, da die Gesamtfläche der Photovoltaikmodule der erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie größer ist, als bei einer Photovoltaikanlage mit nachgeführten Photovoltaikmodulen. Denn bei einer Photovoltaikanlage mit nachgeführten Photovoltaikmodulen werden die Photovoltaikmodule so angeordnet, dass sie sich nicht gegenseitig beschatten und haben daher einen horizontalen Abstand voneinander. Die erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie kann sogar einen mehr als doppelt so großen Jahresertrag als Photovoltaikanlage mit nachgeführten Photovoltaikmodulen erzielen, was auf den Anteil diffuser Strahlung zurückzuführen ist, den eine Photovoltaikanlage mit nachgeführten Photovoltaikmodulen aufgrund der geringen aktiven Photovoltaikmodul-Fläche nicht nennenswert nutzen kann.
Dies ist möglich da für die erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie die für die Photovoltaik zur Verfügung stehende strahlungsempfangende Fläche aller Photovoltaikmodule zusammen gegenüber der Grundfläche der erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie um ca. den Faktor 4 bis 5 größer ist.
Die erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie bietet somit zwei Hauptvorteile gegenüber bekannten Photovoltaikanlagen: erstens kann elektrische Energie mit einem deutlich höheren flächenspezifischen Ertrag (bezogen auf die Grundfläche der erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie) erzeugt werden und zweitens kann diese Energie, bezogen auf einen Tagesverlauf, sehr kontinuierlich, d.h. mit gleichmäßiger Leistung, an den Sonnenreichentagen erzeugt werden.
Um einen derartigen konstanten Verlauf der erzeugten elektrischen Leistung zu erzielen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Seitenwände der Tragkonstruktion senkrecht stehen und wenigstens annähernd einen Zylinder bilden und wenn eine vorzugsweise vorgesehene Dachkonstruktion mit Photovoltaikmodulen einen Kegel oder Kegelstumpf nahezu kreisrunden Querschnitt bildet. Befindet sich in der Kegelspitze ein Loch für ein Windrad, dann kann durch den Neigungswinkel der Photovoltaikmodule in der Kegelspitze (d.h. der Dachkonstruktion) der Gesamttagesverlauf der erzeugten elektrischen Leistung wieder auf waagerecht „eingestellt“ werden, also eine annähernd konstante Leistung erzielt werden. Erfindungsgemäß bildet die Tragkonstruktion zusammen mit den Photovoltaikmodulen mindestens sechs, vorzugsweise acht oder mehr Außenwände, die einen wenigstens sechseckigen, vorzugsweise acht- oder mehreckigen Grundriss des umschlossenen Raums definieren. Der Grundriss hat vorzugsweise die Form eines regelmäßigen Polygons und kommt somit der Form eines Zylinders nahe.
Das Verhältnis von Höhe der Außenwände - ohne vorzugsweise vorgesehene schrägstehende Photovoltaikmodule einer Dachkonstruktion - zu Durchmesser des Grundrisses beträgt vorzugsweise zwischen 0,75 und 1 ,25. Dieses Verhältnis ist insbesondere in Kombination mit einer mit Photovoltaikmodulen ausgestatten Dachkonstruktion deshalb besonders vorteilhaft, weil sich hieraus die gewünschte, über mehrere Stunden eines Tages annähernd konstante Ausgangsleistung ergibt, da die Photovoltaikmodule der Dachkonstruktion eine verminderte Ausgangsleistung der übrigen Photovoltaikmodule bei im Sommer mittags sehr hoch stehender Sonne ausgleichen.
Vorzugsweise stehen die Außenwände, die den Grundriss des umschlossenen Raums definieren, senkrecht, sind rechteckig und grenzen aneinander an.
Gemäß einer Ausführungsvariante definieren die Außenwände einen Grundriss mit einem maximalen Außendurchmesser von weniger als 5m, vorzugsweise weniger als 4m.
Vorzugsweise umfasst die Tragkonstruktion eine Dachkonstruktion, die schrägstehende Photovoltaikmodule trägt, welche in unterschiedliche Himmelsrichtungen ausgerichtet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anlage eine Luftwärmepumpe, die im Betrieb von an einer Innenseite der Photovoltaikmodule entlangströmenden, die Photovoltaikmodule kühlenden und dadurch vorerwärmten Luft gespeist wird. Bei einer derartigen Anlage kann die Luftwärmepumpe mit einem besonders günstigen COP (Coefficient of Performance; deutsch: Leistungszahl) betrieben werden, so dass mit dem die Luftwärmepumpe antreibenden Strom vergleichsweise viel Wärme erzeugt werden kann. Die von der Luftwärmepumpe abgegeben Wärmeleistung kann beispielsweise dem vier- bis fünffachen der zum Antreiben der Luftwärmepumpe erforderlichen elektrischen Leistung entsprechen. "Luftwärmepumpe" bezeichnet hier alle Wärmepumpen, die Luft als Wärmequelle nutzen und schließt die Ausführung aller Luftwärmepumpen wie z.B. Monoblock und Splitausführung mit ein. Vorzugsweise sind die Außenwände mit Luftführungen, beispielsweise Strömungskanälen, zur Hinterlüftung der Photovoltaikmodule versehen, die derart angeordnet und konfiguriert sind, dass Luft entgegen der Konvektionsrichtung auf der Rückseite der Photovoltaikmodule entlang und zu der Luftwärmepumpe geführt wird.
Die Bewegung der Luft entgegen der Konvektionsrichtung wird vorzugsweise durch einen Lüfter oder ein Gebläse der Luftwärmepumpe bewirkt.
Unter Berücksichtigung der durch die Kühlung bewirkten höheren Effizienz der Photovoltaikmodule ergibt sich beispielsweise folgendes Bild
Der durch die Kühlung der Photovoltaikmodule erzielte Mehrertrag übersteigt die notwendige Leistung zum Betrieb des Lüfters für den Wärmepumpenbetrieb (z.B. 1 ,2 kWh), oder dem reinen Kühlbetrieb mit reduzierter Lüfterdrehzahl (0,5 kWh). Der deutlich größere Nutzen besteht allerdings in der zusätzlichen Wärmeenergie, welche der Wärmepumpe zur Brauchwassererwärmung im Sommer bereitgestellt werden kann. Diese zusätzlich nutzbare Wärmeenergie führt zu einer Reduzierung der für den Betrieb der Wärmepumpe bei konstantem Wärmebedarf benötigten elektrischen Energie. Die zusätzlich nutzbare Wärmeenergie resultiert aus der durch Kühlung der Photovoltaikmodule vorgewärmten Luft. Ein erfindungsgemäß gekühltes Photovoltaikmodul hat eine jährliche Ertragssteigerung an Elektrizität von typischerweise 5% bis 10% gegenüber einem System ohne von Umgebungsluft gekühlten Photovoltaikmodulen. Der elektrische Bedarf des Lüfters, der zur Erzeugung der erzwungenen Strömung notwendig ist, wird idealerweise drehzahlgeführt und dem Kühleffekt angemessen betrieben, außer es liegt der Wärmepumpe ein erhöhter momentaner Heizbedarf (z.B. Warmwasser) vor.
Für ein Mehrfamilienhaus mit 48 Wohneinheiten besteht beispielsweise im Sommer ein durchschnittlicher Warmwasserenergiebedarf von 550 kWh_th pro Tag. Um diese Wärmeenergie mit einem COP von 4 bereitzustellen wären 137,5 kWh_el aufzubringen. Durch die zusätzliche Nutzung der Photovoltaikmodulabwärme kann der COP im Schnitt etwa auf 5 angehoben werden. Somit werden für die Deckung des Warmwasserenergiebedarfes nur noch 110 kWh_el benötigt. Dieser Wert entspricht dabei auch ungefähr dem Tagesertrag einer erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie.
Grundsätzlich ergibt sich so über das ganze Jahr hinweg eine COP-Steigerung von mindestens 1 ,0 - im Winter sogar von 1 ,3. Die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe einer erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie erreicht somit Werte, die mit einer Sole-Wärmepumpe vergleichbar sind.
Vorzugsweise ist die Luftwärmepumpe derart mit den Photovoltaikmodulen elektrisch verbunden, dass die Luftwärmepumpe mit von den Photovoltaikmodulen erzeugtem elektrischen Strom zu betreiben ist. Aufgrund des in der vorgesehenen Anordnung besonders günstigen COP der Luftwärmepumpe ergibt sich eine Anlage, die besonders effizient Wärme bereitstellen kann.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante ist innerhalb des von den Außenwänden umschlossenen Raums ein Gasspeicher, nämlich ein druckloser Wasserstoff- oder Sauerstoffspeicher angeordnet. In dieser Variante umfasst die Anlage vorzugsweise einen Elektrolyseur, um mit Hilfe von photovoltaisch erzeugtem Strom Wasserstoff zu erzeugen, der in dem Gasspeicher gespeichert werden kann. Eine derartige Anlage erlaubt es den photovoltaisch erzeugten Strom auch dann zu nutzen, wenn kein unmittelbarer Bedarf besteht, den Strom sofort abzunehmen. Mittels des erzeugten Wasserstoffs kann außerdem beispielsweise mit Hilfe einer Brennstoffzelle auch dann Strom erzeugt und bereitgestellt werden, wenn die Photovoltaik keine oder keine ausreichend elektrische Leistung liefern können, z.B. an Wintertagen.
Für den Betrieb des Elektrolyseurs ist es besonders vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie über viele Stunden eines Tages eine annähernd konstante elektrische Ausgangsleistung liefert. Die erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie kann in Verbindung mit einem Elektrolyseur so ausgelegt werden, dass der Leistungsbedarf des Elektrolyseurs bei dessen optimalem Betrieb der über viele Stunden eines Tages annähernd konstanten elektrischen Ausgangsleistung der erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie entspricht. Dies erlaubt es, den Elektrolyseur im Laufe eines Jahres mit etwa 3000 Volllaststunden zu betreiben, während dies bei herkömmlichen Photovoltaikanlagen in Verbindung mit einem Elektrolyseur nur etwa 1000 Vollaststunden im Jahr sind.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt ist, dass Umlüftung des drucklosen Wasserstoffspeichers durch die an der Innenseite der Photovoltaikmodule zu deren Kühlung entlanggeführte Luft die Sicherheit des Betriebs des drucklosen Wasserstoffspeichers erhöht, weil eventuell durch Lecks entweichender Wasserstoff zwangsläufig so stark verdünnt wird und eine einfache Detektion möglich ist und dass sich somit keine Gefahr ergibt. Eine Anlage mit einer Tragkonstruktion der hier beschriebenen Art und daran befestigten Photovoltaikmodulen, sowie einem Gasspeicher und einem Elektrolyseur stellt einen eigenständigen Erfindungsdanken dar, der auch unabhängig von weiteren hier beschreiben Aspekten wie z.B. der Luftkühlung der Photovoltaikmodule verwirklicht werden kann.
Gemäß diesem selbstständigen Erfindungsgedanken ist eine Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie vorgesehen, welche Photovoltaikmodule und eine Tragkonstruktion für die Photovoltaikmodule umfasst, wobei die Tragkonstruktion einen Raum umschließt und zusammen mit den Photovoltaikmodulen Außenwände des umschlossenen Raums bildet, deren von den Photovoltaikmodulen definierten Flächennormalen in wenigstens drei verschiedene Himmelsrichtungen weisen. In dem umschlossenen Raum ist ein Gasspeicher angeordnet und die Anlage umfasst einen Elektrolyseur, der derart mit den Photovoltaikmodulen elektrisch verbunden ist, dass der Elektrolyseur mit von den Photovoltaikmodulen erzeugtem elektrischem Strom zu betreiben ist und im Betrieb Wasserstoff erzeugt. Der Gasspeicher ist vorzugsweise von einer flexiblen, gasdichten Hülle ballonartig umschlossen und hat dadurch ein variables Innenvolumen, das in Betrieb vollständig mit Wasserstoff oder Sauerstoff befüllt ist.
Werden drei gleichartige erfindungsgemäße Anlagen zum Gewinnen erneuerbarer Energie an einem Ort aufgestellt, kann es aus Effizienz - und Lebensdauergründen vorteilhaft sein zwei der Anlagen mit einem Wasserstoffspeicher und eine der Anlagen mit einem Sauerstoffspeicher zu nutzen. So kann eine Brennstoffzelle bei der Rückverstromung mit reinem Sauerstoff betrieben werden und es kommt zu einer Effizienzsteigerung, einem schonenderen Betrieb, und einer höheren Haltbarkeit, als bei der Verwendung von Umgebungsluft mit deren potentiellen Kontaminationen, z.B. aktiven Schadgasen, wie z.B. Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid oder andere Katalysatorschädigende Gase. Vorzugsweise ist eine sowohl wenigstens einen Wasserstoffspeicher als auch wenigstens einen Sauerstoffspeicher umfassende Anlage mit einem Elektrolyseur ausgestattet, der gleichzeitig Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Bei der Elektrolyse von Wasser fallen jeweils zwei Teile Wasserstoff (H2) und ein Teil Sauerstoff (O2). Daher ist für Wasserstoff vorzugsweise die doppelte Speicherkapazität vorgesehen, wie für Sauerstoff. Letzteres lässt sich dadurch erreichen, dass drei gleichartige erfindungsgemäße Anlagen zum Gewinnen erneuerbarer Energie an einem Ort vorgesehen sind, von denen zwei der Anlagen mit einem Wasserstoffspeicher und eine der Anlagen mit einem Sauerstoffspeicher ausgestattet sind. In einer weiteren Ausführungsvariante umfasst die Anlage eine Windenergieanlage, die einen Mast aufweist, der durch das Zentrum des von den Außenwänden umschlossenen Raums verläuft. Vorzugsweise ist der Mast der Windenergieanlage ein Teleskopmast, mit dessen Hilfe die Windenergieanlage wahlweise einen eingefahren Zustand, in dem sich die Windenergieanlage innerhalb des von den Außenwänden und gegebenenfalls einer Dachkonstruktion umschlossenen Raums befindet, und einen ausgefahren Zustand, in dem sich die Windenergieanlage außerhalb des von den Außenwänden und gegebenenfalls einer Dachkonstruktion umschlossenen Raums befindet, einnehmen kann. Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von den Figuren zeigt:
Figur 1a: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie mit ausgefahrener Windenergieanlage;
Figur 1 b: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie mit eingefahrener Windenergieanlage;
Figur 1c: eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Anlage zum Erzeugen erneuerbarer Energie aus Figuren 1a und 1 b;
Figur 2a: eine Seitenansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Anlage zum
Gewinnen erneuerbarer Energie;
Figur 2b: eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie gemäß Figur 2a;
Figur 2c: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anlage zum
Erzeugen erneuerbarer Energie gemäß der Figuren 2a und 2b;
Figur 3a - d: Diagramme, welche einen typischen Verlauf der erzeugten elektrischen Leistung im Verlauf verschiedener sonniger Tage illustriert;
Figur 4. eine vergrößerte Darstellung des Diagramms aus Figur 3d;
Figur 5: eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zum
Gewinnen erneuerbarer Energie in einer perspektivischen Ansicht; Figur 6: eine alternative erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie in perspektivischer Ansicht;
Figuren 7a, b: zwei Seitenansichten der Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie entsprechend Figuren 1 a und 1 b;
Figuren 8a, b: zwei perspektivische Ansichten eines Systems mit einer Windenergieanlage und einer Photovoltaik-Anlage;
Figur 9: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zum
Gewinnen erneuerbarer Energie mit Luftführungen zum Hinterlüften und Kühlen der Photovoltaikmodule mit Luft und einer Wärmepumpe, der die durch die Luftführungen geführte durch das Kühlen der Photovoltaikmodule vorerwärmte Luft zugeführt wird.
Figuren 10a, b: zwei Darstellungen zum Illustrieren einer in der Lüftung der Photovoltaikmodule in Kombination mit einer Luftwärmepumpe;
Figuren 11 a, b: zwei weiteren Darstellungen zum Illustrieren der Hinterlüftung der Photovoltaikmodule;
Figuren 12a, b: zwei Seitenansichten zweier verschiedener erfindungsgemäßer Anlagen zum Gewinnen erneuerbarer Energie mit integriertem Gasspeicher.
Eine erfindungsgemäße Anlage 10 zum Gewinnen erneuerbarer Energie weist eine Tragkonstruktion 12 mit daran befestigten Photovoltaikmodulen 14 auf. Die Tragkonstruktion 12 mit den Photovoltaikmodulen 14.1 bildet Außenwände 16, die einen Raum 18 umschließen. Die Außenwände 16 stehen senkrecht und definieren einen vieleckigen Grundriss. Bei den in den Figuren 1 a, b und c sowie den Figuren 2a, b und c abgebildeten Beispielen sind insgesamt zehn seitlich aneinandergrenzende, senkrecht stehende Außenwände 16 vorgesehen, die einen insgesamt zehneckigen Grundriss definieren. Jede Außenwand 16 ist von einer entsprechenden Tragkonstruktion 12 und zwei übereinander angeordneten Photovoltaikmodulen 14 gebildet. Zusätzlich bildet die Tragkonstruktion 12 auch noch eine Dachkonstruktion 20, die insgesamt fünf schrägstehende Photovoltaikmodule 14.2 trägt. Die Tragkonstruktion 12 einschließlich der Dachkonstruktion 20 und der an der Tragkonstruktion 12 und der Dachkonstruktion 20 befestigten Photovoltaikmodulen umschließen den Raum 18 derart, dass in dem umschlossenen Raum 18 gemäß bevorzugter Ausführungsvarianten eine Luftwärmepumpe 22 angeordnet werden kann. Die im Beispiel gezeigte Anzahl der Photovoltaikmodule 14 ist ein typisches Ausführungsbeispiel und richtet sich nach der Dimensionierung und oder dem Platzbedarf am Aufstellort.
Um über vorzugsweise mehrere Stunden eines Tages eine nur geringfügig schwankende Maximalleistung zu ermöglichen (siehe auch Figuren 3a bis 3d und Figur 4), ist es vorteilhaft, wenn die Seitenwände mit den Photovoltaikmodulen 14.1 ein reguläres Prisma bilden, also ein gerades Prisma mit einem regelmäßigen Vieleck als Grundfläche. Allein an den Seitenwänden eines solchen Prismas Photovoltaikmodule 14.1 vorzusehen würde jedoch bei hohem Sonnenstand im die Mittagszeit zu einem Einbruch der erzeugten elektrischen Leistung führen, daher sind vorzugsweise die schrägstehenden Photovoltaikmodule 14.2 auf der Oberseite des Prismas vorgesehen. Die schrägstehenden Photovoltaikmodule 14.2 sind vorzugsweise in einem Winkel zwischen 30° und 60° zur Senkrechten geneigt.
Die Höhe der Seitenwände - dies sind die Außenwände 16 - entspricht vorzugsweise in etwa dem Durchmesser des Grundrisses, also beispielsweise zwischen dem 0,75-fachen und dem 1 ,25-fachen des Durchmessers des Grundrisses.
Zusätzlich kann im Zentrum des umschlossenen Raums auch ein Mast 24 für eine Windenergieanlage 26 (Figuren 1a und 1 b) oder 26' (Figuren 2a und 2b) vorgesehen sein. Die Windenergieanlage 26 oder 26' ist an dem Mast 24 oder 24' derart befestigt, dass die Windenergieanlage 26 oder 26' entlang des Mastes 24 oder 24' auf- und abgefahren werden kann, sodass die Windenergieanlage 26 eine eingefahrene Position und eine ausgefahrene Position annehmen kann. Der Mast 24 oder 24' kann hierzu ein Teleskopmast sein. In der eingefahrenen Position befindet sich die Windenergieanlage 26 oder 26' in dem umschlossenen Raum 18, während sich die Windenergieanlage 26 oder 26' in ihrem ausgefahrenen Zustand oberhalb der Dachkonstruktion 20 befindet. Wie den Figuren 1a, b und c sowie den Figuren 2a, b und c zu entnehmen ist, umschließt die Dachkonstruktion 20 eine zentrale Öffnung 28, durch die die Windenergieanlage 26 oder 26' ein- und ausgefahren werden kann. Figur 7a zeigt die Windenergieanlage 26 im ausgefahren Zustand und Figur 7b zeigt die Windenergieanlage 26 im eingefahren Zustand.
Figur 5 illustriert eine erfindungsgemäße Anlage 10 zum Gewinnen erneuerbarer Energie, bei der die Tragkonstruktion 12 die Dachkonstruktion 20 mit insgesamt fünf schrägste- henden Photovoltaikmodulen 14.2 trägt, die die zentrale Öffnung 28 umschließen, durch die die Windenergieanlage 26 oder 26' ein- und ausgefahren werden kann.
Falls keine Windenergieanlage vorgesehen ist, kann auch eine Dachkonstruktion 20' vorgesehen sein, die keine zentrale Öffnung umschließt, sondern beispielsweise von sechs Photovoltaikmodulen 14.2 gebildet ist, wie sie in Figur 6 abgebildet sind.
Wie insbesondere der Figur 2a zu entnehmen ist, führt der von den Wänden 16 definierte Grundriss dazu, dass die Außenflächen der Photovoltaikmodule 14.1 praktisch zu sämtlichen Himmelsrichtungen hin ausgerichtet sind. Der zehneckige Grundriss ist nahezu kreisförmig. Die Ausrichtung der Photovoltaikmodule 14.1 in alle Himmelsrichtungen hat zur Folge, dass die im Verlaufe eines Sonnentages erzeugte elektrische Leistung nicht nur ein einziges schmales Maximum um die Mittagszeit hat, sondern über mehrere Stunden, beispielsweise über acht Stunden nahezu gleichbleibend hoch ist. Dies ist in Figuren 3a bis 3d und Figur 4 dargestellt. Die untere Kurve zeigt einen typischen Verlauf der erzeugten elektrischen Leistung über einen Tag, wenn die Leistung von Photovoltaikmodulen erzeugt wird, die sämtlich nach Süden ausgerichtet sind (und im Beispielsfall um 35° Grad geneigt sind). In diesem Fall fällt die höchste elektrische Leistung um die Mittagszeit an. Da der Einfallswinkel der Sonne sich im Tagesverlauf ändert, ändert sich auch die von den derart ausgerichteten Photovoltaikmodulen erzeugte elektrische Leistung.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Photovoltaikmodule auf senkrechten Wänden entlang eines annähernd kreisförmigen Grundrisses - genauer: entlang eines Grundrisses in Form eines regelmäßigen Vielecks - führt in Kombination mit den schrägstehenden Photovoltaikmodulen 14.2 der Dachkonstruktion 20 dazu, dass mit dem im Tagesverlauf ändernden Sonneneinfallswinkel immer wieder andere Photovoltaikmodule ihre jeweilige maximale elektrische Leistung zu einem jeweils anderen Tageszeitpunkt liefern. Dies führt zu der in den Figuren 3a bis 3d und in Figur 4 dargestellten annähernd gleichen Leistung im Verlaufe von mehreren Stunden.
Die Anzahl der Photovoltaikmodule 14.1 der Seitenwände 16 sowie der der Photovoltaikmodule 14.2 der Dachkonstruktion 20 hängt auch von der Größe der Anlage 10 zum Gewinnen erneuerbarer Energie ab. Typische Größen können beispielsweise die Folgenden sein: 3,5 m Durchmesser des Grundrisses; die Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 haben eine installierte Leistung von ca. 10kWp und liefern im Betrieb beispielsweise über einen längeren Zeitraum eines Sonnentages etwa 4kW elektrische Leistung;
11.5 m Durchmesser des Grundrisses; die Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 haben eine installierte Leistung von ca. 97.5 kWp und liefern im Betrieb beispielsweise über einen längeren Zeitraum eines Sonnentages etwa 40kW elektrische Leistung,
35 m Durchmesser des Grundrisses; die Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 haben eine installierte Leistung von ca. 1100kWp und liefern im Betrieb beispielsweise über einen längeren Zeitraum eines Sonnentages etwa 440kW elektrische Leistung; siehe auch Figuren 12a und 12b, die eine Anlage mit Gasspeicher zum Speichern in der Sonnensaison per Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs zeigen.
Idealerweise ist die erfindungsgemäße Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher verbunden, dessen Leistungsaufnahme der der von der Anlage 10 zum Gewinnen erneuerbarer Energie gelieferten elektrischen Leistung entspricht. Dann lässt sich eine deutliche Verlängerung der regenerativen Vollbenutzungsstunden der Solarenergie ganzjährig, bei Überschreiten der Äquinoktial-Linie der Sonne (im Zeitraum zwischen dem 21. März und dem 23. September) gegenüber aufgeständerten Photovoltaikmodulen oder geneigten Photovoltaikanlagen auf einem Dach um mehr als 15 % erzielen.
Die mittels des Teleskopmastes 24 oder 24' ein- und ausfahrbare Windenergieanlage 26 oder 26' trägt ebenfalls dazu bei, dass sich mittels der Anlage 10 ganzjährig ein höherer Ertrag erzielen lässt, als mit einseitig ausgerichteten, aufgeständerten Photovoltaikmodulen. Eine Windenergieanlage liefert typischerweise in den Wintermonaten mehr Energie, als in den sonnigen Sommermonaten. Dadurch ist vor allem in Kombination mit Photovoltaikmodulen und Luft-/Wasserwärmepumpen ein Mehr an möglichen Vollbenutzungsstunden an Sonnen- und Windenergie gegeben.
Eine alternative Anlage 10' zum Gewinnen erneuerbarer Energie weist eine Windenergieanlage 26'" mit einem feststehenden Turm 24'" auf, um dessen Fuß herum eine Tragkonstruktion 12' mit daran befestigten Photovoltaikmodulen 14 angeordnet ist, die der Anlage 10 zum Gewinnen erneuerbarer Energie gemäß der Figuren 1 und 2 ähnelt; siehe Figuren 8a und 8b. Die senkrechten, einen Zylinder bildenden Seitenwände 16 können in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 2000 Module tragen und die einen Kegelstumpf bildende Dachkonstruktion ca. 754 Module die eine Öffnung umschließen, durch die der Turm 24"' des Windrads 26"' hindurchragt. Wie weiter unten beschrieben, umschließt die Tragkonstruktion 12' mit den daran befestigten Photovoltaikmodulen 14 auch hier einen Innenraum 18, der beispielsweise zum Speichern von gasförmigem Wasserstoff genutzt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Anlage 10 ist in Figuren 9, 10 und 11 illustriert. Diese zeigen, dass auf der Innenseite der Wände 16 - also auf der Rückseite der Photovoltaikmodule
14.1 und 14.2 - eine Hinterlüftung zum Kühlen der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 vorgesehen ist. Für die Hinterlüftung ist vorzugsweise in einem die Luftströmung begünstigenden Abstand eine Rückwand 30 vorgesehen, sodass sich zwischen der Rückseite der Photovoltaikmodule 14.1 sowie 14.2 und der Rückwand 30 ein Strömungskanal 32 ausbildet. Dieser kann strömungstechnisch mit der Wärmepumpe 22 verbunden sein. Auf diese Weise kann die Wärmepumpe 22 bereits mit vorgewärmter Luft betrieben werden, sodass sich die Leistungszahl (COP: Coefficient of Performance) der Wärmepumpe 22 erhöht. Die Wärmepumpe ist vorzugsweise als Monoblock oder als Splitgerät-Variante ausgeführt. Gleichzeitig wird vermieden, dass der Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule
14.1 und 14.2 infolge eines Erwärmens der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 absinkt. Um eine möglichst gute Wärmeübertragung von der Rückseite der Photovoltaikmodule
14.1 und 14.2 zu der vorbeiströmenden Luft zu erzielen, sind in dem Strömungskanal 32 vorzugsweise Luftführelemente vorgesehen, die für eine Verwirbelung der strömenden Luft - also für Turbulenzen - sorgen. Dies erhöht den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen den Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 und der vorbeiströmenden Luft.
Die Wärmepumpe 22 ist eine luftwärmepumpe mit einem Wärmetauscher 22.1 und einem Lüfter 22.2
Durch die Rückwand 30 auf den Rückseiten der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 ist somit eine kontrollierte Hinterlüftung der PV-Module möglich. Diese erhöht den elektrischen Wirkungsgrad bei gleichbleibender diffusen und direkten Sonneneinstrahlung, da Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 eine PTC-Charakteristik haben, d.h. der elektrische (innen-) Widerstand ist bei geringerer Temperatur kleiner. Die Rückwände 30 können je nach Anwendungsfall auch thermisch isolierend ausgeführt sein.
Außerdem wird die Luft durch den Wärmeübergang erwärmt. Bei dem Verbau einer Wärmepumpe 22 mit Außeneinheit, welche die Außenluft als Primärquelle verwendet, kann die in die Außeneinheit eintretende Luft vor Eintritt in den Verdampfer der Wärmepumpe an der Rückseite der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 vorerwärmt werden und es wird dadurch eine Wirkungsgradsteigerung der Wärmepumpe 22 bei Sonnenlicht/Tageslicht erreicht. Damit wird eine Laufzeitreduzierung und eine weitere Energieeinsparung möglich.
Kühlende Luft auf der Rückseite der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 wird entgegen der Konvektionsrichtung von oben nach unten gesaugt. Hierzu sind auf der Rückseite der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 Luftführungen, z.B. Strömungskanäle, vorgesehen, durch die die Luft an der Rückseite der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 entlang geführt wird. Die Luftführung kann beispielsweise durch die Rückwand 30 gebildet sein.
Der durch die Kühlung der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 erzielte Mehrertrag übersteigt die notwendige Leistung zum Betrieb des Lüfters 22.2 für den Wärmepumpenbetrieb (z.B. 1 ,2 kWh), oder dem reinen Kühlbetrieb mit reduzierter Lüfterdrehzahl (0,5 kWh). Der deutlich größere Nutzen besteht allerdings in der zusätzlichen Wärmeenergie, welche der Wärmepumpe 22 zur Brauchwassererwärmung im Sommer bereitgestellt werden kann. Diese zusätzlich nutzbare Wärmeenergie führt zu einer Verringerung der elektrischen Energie, die für den Betrieb der Wärmepumpe bei konstantem Wärmebedarf benötigt wird. Die zusätzlich nutzbare Wärmeenergie resultiert aus der durch Kühlung der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 vorgewärmten Luft. gemäß dem auch eingangs erwähnten Beispiel besteht für ein Mehrfamilienhaus mit 48 Wohneinheiten im Sommer ein durchschnittlicher Warmwasserenergiebedarf von 550 kWh Wärmeenergie pro Tag. Um diese Wärmeenergie mit einem COP von 4 bereitzustellen wären 137,5 kWh elektrischer Energie aufzubringen. Durch die zusätzliche Nutzung der Photovoltaikmodulabwärme kann der COP im Schnitt etwa auf 5 angehoben werden. Somit werden für die Deckung des Warmwasserenergiebedarfes nur noch 110 kWh elektrischer Energie benötigt. Dieser Wert entspricht dabei auch ungefähr dem Tagesertrag der erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie.
Grundsätzlich ergibt sich so über das ganze Jahr hinweg eine COP-Steigerung von mindestens 1 ,0 - im Winter sogar von 1 ,3. Die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe einer erfindungsgemäßen Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie erreicht somit Werte, die mit einer Sole-Wärmepumpe vergleichbar sind. Je nach Anwendungsfall kann die Kühlung der Photovoltaikmodule 14.1 und 14.2 auch durch einen Lüfter oder Gebläse 34 geschehen, dabei sollte der elektrische Energieaufwand geringer sein, als die durch Kühlung erzielte Mehrgewinn an elektrischer Energie.
Der Innenraum 18 ist vielseitig einsetzbar, in kleineren Ausführungen kann dort z.B. ein Abstellraum für Gartengeräte, Fahrräder oder ähnlichen Gebrauchsgegenstände sein. Bei Monoblockwärmepumpen wird die Heizwärme über gut isolierte, zumeist unterirdisch verlegte Leitungen an das Gebäude übergegeben. Bei gut gedämmten Gebäuden, die z.B. durch nach Süden ausgerichtete Fenster hohe solare Strahlungseinträge haben, ist die Zwischenspeicherung in einem Wärmespeicher empfehlenswert, um die solaren Erträge aus Strom zu Wärme in die Nacht oder bis zum nächsten Tag zwischen zu speichern. Ist die Aufstellung des Wärmespeichers innerhalb des Gebäudes nicht möglich, so kann das Innenraum 18 hierfür genutzt werden.
Bei größeren Ausführungen ist ein größeres Volumen vorhanden. Dieses Volumen nimmt mit der dritten Potenz bei Verdopplung des Durchmessers und Verdopplung der Höhe zu. Dadurch kann das Volumen idealerweise zur Speicherung der volatilen Sonnen- und Windenergie genutzt werden. Ein großes Volumen ist ideal für Energiespeicherung mit Wasserstoff, welcher bei Normaldruck eine geringe Dichte hat.
Durch das große Volumen kann in dem Innenraum 18 auch ein Gasspeicher 36 für z.B. Wasserstoff oder auch Sauerstoff vorgesehen sein, siehe Figuren 12a und 12b. Vorzugsweise ist der Gasspeicher 36 ein druckloser Gasspeicher. Bei kleineren Innenraum 18 kann der Gasspeicher 36 ein Ballon mit geringem Volumen sein, siehe Figur 8b. Für größere Speichervolumina kann der Gasspeicher 36 eine Rollmembrane aufweisen, die oben mit einer Gewichtsplatte belastet ist (siehe Figur 8a), wie Sie z.B. bei Gasometern vorzufinden sind. Je nach Ausführung sind diese dann auch mit leichten Überdrücken vorzufinden, jedoch bis maximal 50mbar. Weitere mögliche Ausführungen für den Gasspeicher 36 sind Teleskopgasbehälter, Glockengasbehälter, Nassgasbehälter, Scheibengasbehälter, Schraubengasbehälter und Kugelbehälter.
Die Rollmembran 38 oder die Ballonhülle 38' sind vorzugsweise von einer gasdichten, flexiblen Materialbahn oder Folie gebildet.
Um mit Hilfe des von den Photovoltaikmodulen 14.1 und 14.2 erzeugten elektrischen Stroms Wasserstoff zu erzeugen, ist die Anlage 10 mit einem Elektrolyseur 40 ausgestattet. dieser ist elektrisch wenigstens indirekt (z.B. über entsprechende Wandlerelektronik oder Wechselrichter) mit den Photovoltaikmodulen 14.1 und 14.2 verbunden. Außerdem ist der Elektrolyseur über eine Gasleitung (nicht gezeigt) mit dem Inneren des Gasspeicher 36 verbunden, um von dem Elektrolyseur 40 erzeugten Wasserstoff in den Gasspeicher 36 einspeisen zu können. Der Gasspeicher 36 kann mit einer weiteren Gasleitung (ebenfalls nicht dargestellt) verbunden sein, um in dem Gasspeicher 36 enthaltenen Wasserstoff beispielsweise einer Brennstoffzelle oder einer Gastherme zuzuführen, die jeweils typischerweise nicht unmittelbarer Bestandteil der Anlage 10 sind.
Da der Gasspeicher 36 drucklos ist und der von dem Elektrolyseur 40 erzeugte Wasserstoff nicht komprimiert werden muss, ist der Elektrolyseur 40 in der Lage den Gasspeicher 36 direkt zu befüllen. Durch die Auslegung und die Laufzeit des Elektrolyseurs 40 können die ^-Produktion und damit gleichzeitig die Füllgeschwindigkeit des Gasspeichers 36 direkt vorgegeben werden. Ein Kompressor ist nicht zu berücksichtigen, weil dieser nicht benötigt wird.
Auch die in den Figuren 8a und 8b dargestellte Anlage kann im Inneren einen drucklosen Gasspeicher aufweisen, wie er in Figuren 12a und 12b beispielhaft dargestellt ist. Durch nutzen von Sonnen- und/oder Windenergie kann Wasserstoff produziert und drucklos gespeichert werden.
Bei Dunkelflaute kann so auch aus gespeichertem Wasserstoff via Brennstoffzelle Strom gewonnen und dann über den örtlichen Windtransformator in das öffentliche Netz, Industrienetz oder auch an E-Ladesäulen als 100% erneuerbarer Energie gewonnener Strom verteilt und beispielsweise zum Nachladen (DC) verwendet werden.
Vorzugseise ist eine derartige Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie an eine oder mehrere Brennstoffzellen angeschlossen, die vorzugsweise in der Heizzentrale Wärme für die Gebäude abgeben können, so dass nicht nur der von der Brennstoffzelle auch dem Wasserstoff gewonnene Strom, sondern auch die entstehende Wärme genutzt werden können. Bezugszeichenliste
10, 10‘ Anlage zum Gewinnen erneuerbarer Energie
12, 12‘ Trag onstruktion
14.1 , 14.2 Photovoltaikmodul
16 Wand, Seitenwand
18 umschlossener Raum, Innenraum
20, 20‘ Dachkonstruktion
22 Luftwärmepumpe
22.1 Wärmetauscher der Luftwärmepumpe
22.2 Lüfter der Luftwärmepumpe
24, 24‘“ Mast, Turm, Teleskopmast für eine Windenergieanlage
26, 26‘, 26‘“ Windenergieanlage/Windrad
28 Öffnung in der Dachkonstruktion
30 Rückwand
32 Strömungskanal
34 Gebläse, Lüfter
36 druckloser Gasspeicher
38 gasdichte Materialbahn, gasdichte Hülle
38‘ Ballonhülle
40 Elektrolyseur

Claims

Ansprüche
1. Anlage (10) zum Gewinnen erneuerbarer Energie, welche Photovoltaikmodule (14.1 , 14.2) und eine Tragkonstruktion (12) für die Photovoltaikmodule (14.1 , 14.2) umfasst, und Photovoltaikmodule (14.1 , 14.2) derart an der Tragkonstruktion (12) befestigt sind, dass die Photovoltaikmodule (14.1 , 14.2) auf ihrer zum Inneren des umschlossenen Raums (18) weisenden Rückseite von einem Luftstrom gekühlt werden können. wobei die Tragkonstruktion (12) einen Raum (18) umschließt und zusammen mit den Photovoltaikmodulen (14.1 , 14.2) Außenwände (16) des umschlossenen Raums (18) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass Tragkonstruktion (12) zusammen mit den Photovoltaikmodulen (14.1 , 14.2) mindestens sechs, vorzugsweise acht oder mehr Außenwände (16) bildet, die einen wenigstens sechseckigen, vorzugsweise acht- oder mehreckigen Grundriss des umschlossenen Raums (18) definieren, wobei die von den Photovoltaikmodulen (14.1 , 14.2) an den Außenwänden definierten Flächennormalen in wenigstens sechs, vorzugsweise acht- oder mehr verschiedene, durch den sechseckigen, vorzugsweise acht- oder mehreckigen Grundriss definierte Himmelsrichtungen weisen.
2. Anlage gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tragkonstruktion (12) eine Dachkonstruktion (20) umfasst, die schrägstehende Photovoltaikmodule (14.2) trägt, welche in unterschiedliche Himmelsrichtungen ausgerichtet sind.
3. Anlage gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwände (16), die den Grundriss des umschlossenen Raums (18) definieren, senkrecht stehen, aneinander angrenzen und jeweils rechteckig sind.
4. Anlage gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Außenwänden (16) gebildete Grundriss die Form eines regelmäßigen Vielecks hat.
5. Anlage gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Höhe der Außenwände (16) zu Durchmesser des Grundrisses zwischen 0,75 und 1 ,25 beträgt.
6. Anlage gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen oder mehrere Wechselrichter umfasst, die elektrisch mit den Photovoltaikmodulen verbunden sind und die für eine elektrische Leistung ausgelegt sind, die weniger als 50% der elektrischen Spitzenleitung aller Photovoltaik- module zusammengenommen beträgt.
7. Anlage gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des von den Außenwänden (16) umschlossenen Raums (18) ein druckloser Wasserstoffspeicher angeordnet ist.
8. Anlage gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) eine Windenergieanlage (26) umfasst, die einen Mast (24) aufweist, der durch das Zentrum des von den Außenwänden (16) umschlossenen Raums (18) verläuft.
9. Anlage gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (24) der Windenergieanlage (26) ein Teleskopmast ist, mit dessen Hilfe die Windenergieanlage (26) wahlweise einen eingefahren Zustand, in dem sich die Windenergieanlage (26) innerhalb des von den Außenwänden (16) und gegebenenfalls einer Dachkonstruktion (20) umschlossenen Raums (18) befindet, und einen ausgefahren Zustand, in dem sich die Windenergieanlage (26) außerhalb des von den Außenwänden (16) und gegebenenfalls einer Dachkonstruktion (20) umschlossenen Raums (18) befindet, einnehmen kann.
10. Anlage gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) eine Luftwärmepumpe (22) umfasst, die im Betrieb von an einer Innenseite der Photovoltaikmodule (14.1) entlangströmenden, die Photovolta- ikmodule (14.1) kühlenden und dadurch vorerwärmten Luft gespeist wird.
11. Anlage gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftwärmepumpe (22) derart mit den Photovoltaikmodulen (14.1 , 14.2) elektrisch verbunden ist, dass die Luftwärmepumpe (22) mit von den Photovoltaikmodulen (14.1 , 14.2) erzeugtem elektrischem Strom zu betreiben ist.
12. Anlage gemäß wenigstens einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwände mit Luftführungen zur Hinterlüftung der Photovoltaikmodule versehen sind, die derart angeordnet und konfiguriert sind, dass Luft entgegen der Konvektionsrichtung auf der Rückseite der Photovoltaikmodule entlang und zu der Luftwärmepumpe geführt wird.
13. Anlage gemäß wenigstens einem der Ansprüche 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Luft entgegen der Konvektionsrichtung durch einen Lüfter der Luftwärmepumpe bewirkt wird.
14. Anlage (10) zum Gewinnen erneuerbarer Energie, welche Photovoltaikmodule (14.1 , 14.2) und eine Tragkonstruktion (12) für die Photovoltaikmodule (14.1 , 14.2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragkonstruktion (12) einen Raum (18) umschließt und zusammen mit den Photovoltaikmodulen (14.1 , 14.2) Außenwände (16) des umschlossenen Raums (18) bildet, deren von den Photovoltaikmodulen (14.1 , 14.2) definierten Flächennormalen in wenigstens drei verschiedene Himmelsrichtungen weisen, wobei in dem umschlossenen Raum (18) ein druckloser Wasserstoffspeicher (36) angeordnet ist und die Anlage (10) einen Elektrolyseur (40) umfasst, der derart mit den Photovoltaikmodulen (14.1 , 14.2) elektrisch verbunden ist, dass der Elektrolyseur (40) mit von den Photovoltaikmodulen (14.1 , 14.2) erzeugtem elektrischen Strom zu betreiben ist und im Betrieb Wasserstoff erzeugt.
15. Anlage gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der drucklose Wasserstoffspeicher (36) von einer flexiblen, gasdichten Hülle (38) ballonartig umschlossen ist und ein variables Innenvolumen hat, das in Betrieb vollständig mit Wasserstoff befüllt ist.
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