AT525493A1 - Vorrichtung zum photothermischen Beheizen von thermoelektrischen Generatoren - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum photothermischen Beheizen von thermoelektrischen Generatoren mit einer lichtdurchlässigen Kollektoröffnung (1), einer thermischen Kontaktstelle (3) der thermoelektrischen Generatoren sowie einem zwischenliegenden optischen Element (5) beschrieben. Um eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln und unter möglichst geringem Energieverlust gleichzeitig die Energie mehrerer Frequenzbereiche mit an den jeweiligen Frequenzbereich angepasster Weise entnehmbar ist, und dabei gegenseitige Beeinträchtigungen der Energieentnahme minimiert werden, wird vorgeschlagen, dass an die Kollektoröffnung (1) entlang einer Hauptausbreitungsrichtung (2) des einfallenden Lichts ein Innenraum (4) anschließt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung verlaufenden thermischen Kontaktstelle (3) begrenzt wird und in dem das von einem Wärmespeicher (6) zumindest abschnittsweise umgebene, das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle (3) hin reflektierende und teilweise in den Wärmespeicher (6) transmittierende optische Element (5) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum photothermischen Beheizen von thermoelektrischen Generatoren mit einer lichtdurchlässigen Kollektoröffnung, einer thermischen Kontaktstelle der thermoelektrischen Generatoren sowie einem

zwischenliegenden optischen Element.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum photothermischen Beheizen von thermoelektrischen Generatoren bekannt, bei denen Sonnenlicht genutzt wird, um die heiße Seite eines Seebeck-Elements aufzuheizen und durch die Temperaturdifferenz zur kalten Seiten mittels des Seebeck-Effekts Strom zu erzeugen. Die US20210202816A1 zeigt eine solche Vorrichtung, bei der ein Solarkonzentrator mittels optischer Elemente, wie beispielsweise Spiegel oder Linsen, Sonnenlicht direkt auf die heiße Seite lenkt, Infrarotstrahlung auf einen Wärmekollektor bündelt oder in ein Glasfaserkabel einkoppelt. Die im Wärmekollektor gesammelte Wärme wird zum Erhitzen von Luft genutzt, mit der die heiße Seite des Seebeck-Elements zur Stromerzeugung erhitzt wird. Alternativ kann das gesammelte Licht in das Glasfaserkabel eingekoppelt und auf die heiße Seite

gelenkt werden.

Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass sich jede der oben beschriebenen Heizmethoden nur für einen Frequenzbereich effizient nutzen lässt und die im komplementären Frequenzbereich enthaltene Energie zum größten Teil nicht effizient nutzen lässt, sobald das Licht in das jeweilige Wärmemedium eingespeist wurde. Aus diesem Grund offenbart die US20210202816A1 zwar viele verschiedene Ausführungsformen, allerdings keine Möglichkeit, aus mehreren

Frequenzbereichen effizient Energie zu gewinnen. So wird beispielsweise beim

Aufheizen und den Transport der Luft als Wärmeträgermedium.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv einfachen Mitteln und unter möglichst geringem Energieverlust gleichzeitig die Energie mehrerer Frequenzbereiche mit an den jeweiligen Frequenzbereich angepasster Weise zu entnehmen, und dabei gegenseitige Beeinträchtigungen der Energieentnahme zu

minimieren.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass an die Kollektoröffnung entlang einer Hauptausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts ein Innenraum anschließt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung verlaufenden thermischen Kontaktstelle begrenzt wird und in dem das von einem Wärmespeicher zumindest abschnittsweise umgebene, das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle hin reflektierende und teilweise in den Wärmespeicher transmittierende optische Element angeordnet ist. Zufolge dieser Maßnahmen dringt das Licht über die Kollektoröffnung entlang der Hauptausbreitungsrichtung in die Vorrichtung ein und trifft auf das optische Element, dass aufgrund seines Materials und seiner Anordnung im optischen Pfad den hochfrequenten Anteil des Lichts zur thermischen Kontaktstelle reflektiert wird, während der niederfrequente Anteil des Lichts in den Wärmespeicher transmittiert wird. Der hochfrequente Anteil trifft nach der Reflexion auf die thermische Kontaktstelle, wo die im Licht gespeicherte Energie in Form von Wärme an die thermische Kontaktstelle abgegeben wird. Da sich die Richtung des hochfrequenten Anteils beim Auftreffen auf das optische Element durch Beugung, Brechung, Reflexion etc. bezüglich zur Hauptausbreitungsrichtung stärker ändert als beim niederfrequenten Anteil, verläuft die thermische Kontaktstelle in Hauptausbreitungsrichtung, da so der Wirkungsquerschnitt der thermischen Kontaktstelle im optischen Pfad des hochfrequenten Lichts erhöht wird. Vorzugsweise ist das optische Element so ausgestaltet, dass der auf die thermische

Kontaktstelle reflektierte Anteil des Lichts beim Auftreffen auf die thermische

lediglich darauf an, dass der hochfrequente Anteil des Lichts in einem höheren

Begriffes „Licht“ mitumfasst sind.

Da das optische Element nicht zwangsläufig im optischen Pfad aller einfallenden Lichtstrahlen liegt, kann nur ein Teil des einfallenden Lichtes erfindungsgemäß reflektiert oder transmittiert werden. Um auch dem Teil des Lichtes, der nicht unmittelbar in das optische Element strahlt Energie zu entnehmen, wird vorgeschlagen, dass die Innenwand des Innenraums zumindest abschnittsweise reflektierend ausgebildet ist. Dadurch wird der nicht unmittelbar genutzte Anteil ohne Verwendung komplizierter optischer Elemente in den Innenraum zurückgeleitet und trifft dort außer bei unabsichtlicher Umleitung aus der Vorrichtung heraus entweder auf das optische Element, die thermische Kontaktstelle oder den Wärmespeicher und gibt dort Energie ab. Ein geringer Teil des nicht genutzten Anteils wird nicht an der Innenwand reflektiert, sondern von der Innenwand absorbiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist allerdings wenigstens die reflektierende Innenwand mit dem Wärmespeicher thermisch leitend verbunden, sodass diese absorbierte Energie ebenfalls dem Wärmespeicher zugeführt werden

kann.

Um einen möglichst großen Prozentsatz von dem nicht unmittelbar genutzten Anteil des Lichts zurückzureflektieren und dadurch nutzbar zu machen, wird vorgeschlagen, dass die freie Innenwand des Innenraumes reflektierend ausgebildet ist. Die freie Innenwand ist dabei die Innenwand, die nicht durch Einbauten wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle gebildet oder durch solche Einbauten abgeschattet wird. Diese freie Innenwand kann folglich mit der größtmöglichen Reflexionsfläche versehen werden, ohne andere Bauteile der

Vorrichtung, wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle zu beeinträchtigen.

erfindungsgemäße Vorrichtung seriell hintereinandergeschaltet werden.

Es kann mehr Licht in die Vorrichtung gelenkt und dadurch der Wirkungsgrad erhöht werden, wenn die Kollektoröffnung eine Sammellinse für einfallendes Licht aufweist. Eine Sammellinse weist im Vergleich zu einer planaren Oberfläche desselben Querschnitts eine größere Oberfläche auf, über die das Licht in die Vorrichtung gelenkt werden kann. Außerdem kann der maximale Einfallswinkel des Lichts, das in die Vorrichtung gelenkt werden kann, mit der Apertur der Sammellinse beeinflusst werden. Da über eine Sammellinse der Strahlengang beeinflusst werden kann, kann das einfallende Licht bereits direkt auf das optische Element gerichtet werden. Bevorzugter Weise weist die Kollektoröffnung mehrere rasterförmig angeordnete Sammellinsen auf, sodass der Strahlengang des einfallenden Lichts weitgehend unabhängig von dem Ort, an dem das Licht auf die Kollektoröffnung trifft, festgelegt

werden kann.

Die Vorrichtung kann in Kombination mit dem thermoelektrischen Generator möglichst kompakt ausgeführt sein, wenn die thermoelektrischen Generatoren Seebeck-Elemente sind, deren beheizte Enden die thermische Kontaktstelle bilden oder thermisch leitend mit dieser verbunden sind. Üblicherweise weisen SeebeckElemente großflächige beheizte Enden bei geringen Dicken auf. Das beheizte Ende als thermische Kontaktstelle eines Seebeck-Elements bildet also bereits einen großen Einstrahlquerschnitt für das reflektierte Licht und kann damit ohne weitere

Modifikationen einfach Energie aufnehmen. Die geringe, orthogonal zum beheizten

ähnlich einem Peltier-Element aufgebaut sein kann.

Wie bereits erwähnt, kann die thermische Kontaktstelle mit der im Wärmespeicher gespeicherten Wärmeenergie auch dann noch beheizt werden, wenn kein Licht mehr durch die Kollektoröffnung strahlt. Der Zeitraum, über den die gespeicherte Wärmeenergie abgegeben wird kann weiter erhöht werden, wenn der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher ist. Da die dem Latentwärmespeicher zugeführte Wärmeenergie nicht nur für einen Temperaturanstieg sondern auch für einen Phasenübergang von einer Phase niedrigerer Energie auf eine Phase höherer Energie genutzt wird, kann ab einer gewissen Phasenübergangstemperatur in einem Übergangsbereich weiter Wärmeenergie zugeführt werden, ohne einen weiteren Temperaturanstieg zu bewirken. Wird keine Energie mehr über das Licht zugeführt, gibt der Latentwärmespeicher die Energie, die beim Übergang von der Phase höherer auf die Phase niedrigerer Energie frei wird, langsam ab, da sich der Phasenübergang und damit der Transfer der latenten Wärme auf die thermische

Kontaktstelle über eine längere Zeit erstrecken kann.

Das eingestrahlte Licht kann besonders einfach in den niederfrequenten und den hochfrequenten Anteil aufgeteilt und entsprechend weitergeleitet werden, wenn das optische Element ein Prisma ist, das eine der Kollektoröffnung und eine der thermischen Kontaktstelle zugewandte Fläche aufweist. Dabei wird das dispersive

Verhalten des Prismas ausgenutzt und das Licht kann durch ein simples und

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Emitteröffnung zugewandt sein.

Um keine gesonderten thermisch leitenden Bauteile zwischen Wärmespeicher und thermischer Kontaktstelle vorsehen zu müssen und um die Wärmespeicherkapazität zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass der freie Innenraum, das heißt der Innenraum mit Ausnahme des optischen Elements und etwaigen anderen Einbauten, vollständig mit dem Wärmespeicher ausgefüllt ist. Da zufolge diese Maßnahmen das größtmögliche Volumen des Innenraums mit Wärmespeicher ausgefüllt ist, kann klarerweise auch mehr Wärmeenergie gespeichert werden. Um dennoch auch aus dem hochfrequenten Anteil erfindungsgemäß möglichst viel Energie zu gewinnen, kann das optische Element bevorzugter Weise unmittelbar an die Kollektoröffnung und/oder an die thermische Kontaktstelle anschließen, damit der hochfrequente Anteil des Lichts auf die thermische Kontaktstelle reflektiert und nicht in den Wärmespeicher gelenkt wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wärmespeicher gewählt werden, dessen Material den hochfrequenten Anteil nur minimal in seinem Strahlengang und seiner Intensität beeinflusst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmespeicher lichtdurchlässig, sodass die Vorrichtung trotz des Wärmespeichers nach wie vor in Hauptausbreitungsrichtung lichtdurchlässig ist. Dazu kann im einfachsten Fall Wasser als Wärmespeicher verwendet werden. Dazu kann das Wasser in den Innenraum gefüllt und die Kollektor- sowie eine eventuell vorhandene Emitteröffnung mit lichtdurchlässigem Material, wie beispielsweise einer

lichtdurchlässigen Kunststoffplatte, verschlossen werden. Im Falle eines

vom Wärmespeicher umgeben sein.

Die entnehmbare Energiemenge des einfallenden Lichts bei konstanter Größe der Kollektoröffnung kann erhöht werden, indem mehrere Vorrichtungen zu einem thermoelektrischen Kraftwerk kombiniert werden, bei dem die Emitteröffnung einer Vorrichtung an die Kollektoröffnung einer in Hauptausbreitungsrichtung nachgelagerten Vorrichtung anschließt. Die Innenräume der einzelnen Vorrichtungen des thermoelektrischen Kraftwerks bilden dabei einen großen gemeinsamen Innenbereich, wobei das Licht unabhängig von der Anzahl der kombinierten Vorrichtungen und damit der Größe dieses Innenbereichs nur über die Kollektoröffnung der ersten und die Emitteröffnung der letzten Vorrichtung entweichen kann. Folglich steigt das Volumen des Innenbereichs bei der Kombination mehrerer Vorrichtungen, während die von der Kollektoröffnung und der Emitteröffnung beschränkte Austrittsfläche gleichbleibt. Durch die erfindungsgemäße Kombination mehrerer Vorrichtungen im thermoelektrischen Kraftwerk kann also die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Lichts im thermoelektrischen Kraftwerk, und damit die entnehmbare Energie erhöht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Aufenthaltswahrscheinlichkeit weiter erhöht werden, indem der letzten Vorrichtung im thermoelektrischen Kraftwerk eine reflektierende oder absorbierende Wand nachgelagert ist, sodass das Licht das thermoelektrische Kraftwerk nicht über die letzte Emitteröffnung verlassen kann. In einer weiteren Ausführungsform können die optischen Elemente aufeinanderfolgender Vorrichtungen um thermoelektrischen Kraftwerk ein voneinander abweichendes Brechungs-, Reflexions- bzw. Beugungsverhalten aufweisen, sodass in Hauptausbreitungsrichtung sukzessive immer niederfrequentere Anteile des einfallenden Lichtes auf die thermischen

Kontaktstellen umgeleitet werden.

zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit ausgewählten Strahlengängen einfallender Lichtstrahlen und

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein zwei, bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung hintereinander angeordnete Vorrichtungen

umfassendes thermoelektrisches Kraftwerk.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum photothermischen Beheizen von thermoelektrischen Generatoren umfasst eine lichtdurchlässige Kollektoröffnung 1 über die Licht entlang einer Hauptausbreitungsrichtung 2 in den an die Kollektoröffnung 1 anschließenden, von wenigstens einer thermischen Kontaktstelle 3 der thermoelektrischen Generatoren begrenzten, Innenraum 4 strahlt. In dem Innenraum ist ein optisches Element 5, wie beispielsweise ein Prisma, angeordnet, welches von einem Wärmespeicher 6 zumindest abschnittsweise umgeben ist. Vorteilhafte Energiespeicherbedingungen ergeben sich weiters, wenn der freie Innenraum vollständig mit dem Wärmespeicher 6 ausgefüllt ist. Die thermische Kontaktstelle 3 nimmt Wärmeenergie für den thermoelektrischen Generator auf, der

diese in elektrische Energie umwandelt.

Das einfallende Licht ist aus mehreren Anteilen verschiedener Frequenzbereiche zusammengesetzt. Das optische Element 5 ist so beschaffen, dass der optische Pfad der Anteile des Lichts je nach Frequenz unterschiedlich ist. Ist das optische Element 5 beispielsweise wie in der Zeichnung gezeigt ein Prisma, ist das Transmissions- und Reflexionsverhalten der Anteile des Lichts an den Oberflächen des Prismas unterschiedlich, wie dies in den Strahlengängen 7 ersichtlich ist. Höherfrequente Anteile des Lichts werden erfindungsgemäß zur thermischen Kontaktstelle 3 reflektiert, wo diese Wärmeenergie an die thermische Kontaktstelle 3 abgeben. Der optische Pfad niederfrequenter Anteile wird bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung 2 weniger beeinflusst und in den Wärmespeicher 6

transmittiert, wo das Licht ebenfalls Wärmeenergie an den Wärmespeicher 6 abgibt.

Der Wärmespeicher 6 ist mit der thermischen Kontaktstelle 3 thermisch leitend verbunden, sodass auch dieser die thermische Kontaktstelle 3 erwärmt um den

thermoelektrischen Generator zu betreiben.

Da nicht zwangsläufig das gesamte einfallende Licht auf das optische Element 5 trifft, sondern auch an diesem vorbei verlaufen kann, kann eine Innenwand 8 des Innenraums 4 reflektierend ausgebildet sein, die diese vorbeiverlaufenden Strahlen auf das optische Element 5 bzw. den Wärmespeicher 6 umlenkt. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die freie Innenwand, also die Innenwand, die nicht durch Einbauten wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle 3 gebildet oder durch solche Einbauten abgeschattet wird,

reflektierend ausgebildet.

Die Vorrichtung kann in Hauptausbreitungsrichtung 2 lichtdurchlässig sein, indem in Hauptausbreitungsrichtung 2 gegenüber der Kollektoröffnung 1 eine Emitteröffnung 9 angeordnet ist, wodurch die Vorrichtung beispielsweise in Fenstern oder anderen

transparenten Objekten verbaut werden kann.

Um möglichst viel Licht über die Kollektoröffnung 1 in die Vorrichtung zu lenken, kann die Kollektoröffnung 1 Sammellinsen 10 aufweisen, die aufgrund ihrer Oberfläche und Apertur günstigere Einfallswinkel ermöglichen. Bevorzugter Weise sind mehrere Sammellinsen 10 rasterförmig angeordnet, um die oben geschilderten vorteilhaften Effekte weitgehend unabhängig von dem Ort, an dem das Licht auf die

Kollektoröffnung 1 trifft, zu nutzen.

Die thermoelektrischen Generatoren können wie in der Zeichnung angedeutet Seebeck-Elemente sein, da die Vorrichtung so besonders kompakt mit einem thermoelektrischen Generator kombiniert werden kann. Wird ein Prisma als optisches Element 5 verwendet, kann dies eine der Kollektoröffnung 1 und eine der thermischen Kontaktstelle 3 zugewandte Fläche 11 bzw. 12 aufweisen, da so eine verhältnismäßig große Eindringfläche für von der Kollektoröffnung 1 kommende

Lichtstrahlen und eine verhältnismäßig große Abstrahlfläche für in Richtung der

thermischen Kontaktstelle 3 reflektiertes Licht ausgebildet wird. Da die Brechung des Lichtes am Prisma unter anderem vom Einfallswinkel abhängt, kann das Prisma über ein Gelenk 13 im Innenraum 4 gelagert sein, um den Winkel zwischen Hauptausbreitungsrichtung 2 und den verschiedenen Flächen 11. 12 des Prismas

einzustellen.

Die Fig. 2 zeigt ein aus zwei Vorrichtungen kombiniertes thermoelektrisches Kraftwerk, bei dem die Emitteröffnung 9 einer Vorrichtung an die Kollektoröffnung 1 einer in Hauptausbreitungsrichtung 2 nachgelagerten Vorrichtung anschließt. Über die Kollektoröffnung 1 der oberen Vorrichtung eintretendes Licht wird dabei in den von den Innenräumen 4 der Vorrichtungen gebildeten Innenbereich geleitet, wodurch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit bzw. Verweildauer des Lichtes im thermoelektrischen Kraftwerk proportional zum Volumen dieses gebildeten Innenbereichs ist. Mit anderen Worten kann ein Lichtanteil, der in einer Vorrichtung am optischen Element vorbeigeleitet wurde und dem folglich keine oder nur wenig Energie entnommen werden konnte, in die benachbarte Vorrichtung weitergeleitet werden, wie dies beispielsweise am Strahlengang 14 ersichtlich ist. Es versteht sich dabei von selbst, dass zur Steigerung der Energiegewinnungseffizienz auch mehrere Vorrichtungen erfindungsgemäß in Hauptausbreitungsrichtung 2

angeordnet werden können.

Claims (10)

(344245.6) IV Patentansprüche

1. Vorrichtung zum photothermischen Beheizen von thermoelektrischen Generatoren mit einer lichtdurchlässigen Kollektoröffnung (1), einer thermischen Kontaktstelle (3) der thermoelektrischen Generatoren sowie einem zwischenliegenden optischen Element (5), dadurch gekennzeichnet, dass an die Kollektoröffnung (1) entlang einer Hauptausbreitungsrichtung (2) des einfallenden Lichts ein Innenraum (4) anschließt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung verlaufenden thermischen Kontaktstelle (3) begrenzt wird und in dem das von einem Wärmespeicher (6) zumindest abschnittsweise umgebene, das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle (3) hin reflektierende und teilweise in den Wärmespeicher

(6) transmittierende optische Element (5) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand

(8) des Innenraums (4) zumindest abschnittsweise reflektierend ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die freie

Innenwand des Innenraumes reflektierend ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektoröffnung (1) in Hauptausbreitungsrichtung (2) eine den Innenraum

(4) begrenzende Emitteröffnung (9) gegenüberliegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

dass die Kollektoröffnung (1) eine Sammellinse (10) für einfallendes Licht aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

dass die thermoelektrischen Generatoren Seebeck-Elemente sind, deren beheizte

verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

dass der Wärmespeicher (6) ein Latentwärmespeicher ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (5) ein Prisma ist, das eine der Kollektoröffnung (1) und

eine der thermischen Kontaktstelle (3) zugewandte Fläche (11,12) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

dass der freie Innenraum vollständig mit dem Wärmespeicher (6) ausgefüllt ist.

10. Thermoelektrisches Kraftwerk mit mehreren Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitteröffnung (9) einer Vorrichtung an die Kollektoröffnung (1) einer in Hauptausbreitungsrichtung (2)

nachgelagerten Vorrichtung anschließt.