AT525494A1 - 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 die Energie wenigstens eines Frequenzbereichs entnehmbar und das Licht der komplementären Frequenzbereiche weiterhin nutzbar ist, ohne zwangsläufig dafür verschiedene, an den jeweiligen Frequenzbereich angepasste Entnahmemethoden vorzusehen, wird vorgeschlagen, dass sich zwischen der Kollektoröffnung (1) und einer der Kollektoröffnung (1) in einer Hauptausbreitungsrichtung (2) des einfallenden Lichts gegenüberliegenden Emitteröffnung (6) ein quer zur Hauptausbreitungsrichtung (2) zumindest abschnittsweise reflektierend ausgebildeter Innenraum (4) erstreckt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung (2) verlaufenden thermischen Kontaktstelle (3)begrenzt wird und in dem das das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle (3) hin reflektierende und teilweise zur Emitteröffnung (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 die Energie wenigstens eines Frequenzbereichs zu entnehmen und das Licht der komplementären Frequenzbereiche weiterhin nutzbar zu machen, ohne zwangsläufig dafür verschiedene, an den jeweiligen Frequenzbereich angepasste Entnahmemethoden

vorzusehen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass sich zwischen der Kollektoröffnung und einer der Kollektoröffnung in einer Hauptausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts gegenüberliegenden Emitteröffnung ein quer zur Hauptausbreitungsrichtung zumindest abschnittsweise reflektierend ausgebildeter Innenraum erstreckt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung verlaufenden thermischen Kontaktstelle begrenzt wird und in dem das das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle hin reflektierende und teilweise zur Emitteröffnung 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 zur Emitteröffnung 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.

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 einen möglichst großen Prozentsatz

des Teils des Lichtes, der nicht unmittelbar in das optische Element strahlt

Vorrichtung, wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle zu beeinträchtigen.

Um insbesondere den niederfrequenten Anteil des Lichts effizient zur Wärmegewinnung zu nutzen, kann das optische Element im Innenraum zumindest abschnittsweise von einem Wärmespeicher umgeben sein. Zufolge diese Maßnahmen wird insbesondere der niederfrequente Anteil des Lichts in den Wärmespeicher transmittiert, nachdem er das optische Element verlassen hat und gibt dort seine Energie als Wärmeenergie ab. Dadurch kann sowohl die thermische Kontaktstelle als auch das Wärmemedium auf die Energieaufnahme in einem Frequenzbereich optimiert sein, da das Licht des komplementären Frequenzbereichs vom jeweils anderen Element effizient aufgenommen wird. Der Wärmespeicher ist mit der thermischen Kontaktstelle thermisch leitend verbunden, sodass die im Wärmespeicher absorbierte Wärmeenergie an die thermische Kontaktstelle abgegeben werden kann. Da das Volumen des Wärmespeichers das Volumen der thermischen Kontaktstelle um ein Vielfaches übersteigt und der Wärmespeicher das optische Element umgibt, ist die Energieausbeute verglichen zum Stand der Technik erhöht. Es wird nämlich zusätzlich zur oben beschriebenen frequenzselektiven Energiegewinnung auch sowohl der hoch- als auch der niederfrequente Lichtanteil, der nicht auf die vorgesehene Weise Energie abgibt

oder durch Streuung, Reflektion, Beugung etc. über die Kollektoröffnung oder die

optische Element auch vollständig vom Wärmespeicher umgeben 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 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

seiner Intensität beeinflusst.

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.

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.

ähnlich einem Peltier-Element aufgebaut sein 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 einfach herzustellendes optisches Element über den Einfallswinkel und den frequenzspezifischen Brechungsindex aufgeteilt werden. Weiters kann der Strahlengang über die Position des Prismas im Innenraum durch Versuch, Berechnung oder Simulation einfach optimiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Neigung des Prismas bezüglich der Haupteinfallsrichtung eingestellt werden. Dazu kann das Prisma drehbar gelagert sein. Vorzugsweise

weist das Prisma eine dreieckige Grundfläche auf, wobei die weder der

Emitteröffnung zugewandt 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. Ist in dem Kraftwerk wenigstens eine Vorrichtung mit einem Wärmespeicher vorgesehen, kann dieser die Wärmeenergie des niederfrequenten Lichtes aufnehmen. Alternativ oder zusätzlich können die optischen Elemente der kombinierten Vorrichtungen so beschaffen sein, dass auch die verglichen zum hochfrequenten Anteil des Lichts weniger in Richtung der thermischen Kontaktstelle gelenkten niederfrequenten Anteile durch die Anordnung mehrerer Vorrichtungen in

Hauptausbreitungsrichtung und deren optischer Elemente sukzessive durch

einfallenden Lichtes auf die thermischen Kontaktstellen umgeleitet werden.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es

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. Der Kollektoröffnung1 liegt in Hauptausbreitungsrichtung 2 eine Emitteröffnung 6 gegenüber, wobei das optische Element 5 in Hauptausbreitungsrichtung 2 zwischen der Kollektoröffnung1 und der Emitteröffnung 6 angeordnet ist. Zufolge dieser Anordnung ist die gezeigte Vorrichtung in Hauptausbreitungsrichtung 2 lichtdurchlässig und kann dadurch beispielsweise in Fenstern oder anderen transparenten Objekten verbaut werden. Da nicht zwangsläufig das gesamte einfallende Licht auf das optische Element 5 trifft, sondern auch an diesem vorbei verlaufen kann, ist der Innenraum 4 zumindest abschnittsweise reflektierend ausgeführt, wobei bevorzugter Weise die freie Innenwand 7, also die Innenwand,

die nicht durch Einbauten wie beispielsweise die thermische Kontaktstelle 3 gebildet

oder durch solche Einbauten abgeschattet wird, reflektierend ausgebildet. Dadurch kann dieses vorbeiverlaufende Licht bevorzugter Weise in die Emitteröffnung 3

umgelenkt werden.

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 8 ersichtlich ist. Höherfrequente Anteile des Lichts werden erfindungsgemäß zur thermischen Kontaktstelle 3 reflektiert, wo diese Wärmeenergie für den thermoelektrischen Generator abgeben. Der thermoelektrische Generator wandelt die Wärmeenergie anschließend in elektrische Energie um. Der optische Pfad niederfrequenter Anteile wird bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung 2 weniger beeinflusst und zur Emitteröffnung 6 transmittiert, wo das Licht einer weiteren Verwendung, beispielsweise zur Beleuchtung eines Bereichs oder weiterer Energieentnahme,

zugeführt werden kann.

Wenn das optische Element 5 im Innenraum 4 von einem Wärmespeicher 9 umgeben ist, kann insbesondere der niederfrequente Anteil des Lichts bereits genutzt werden, bevor er die Vorrichtung über die Emitteröffnung 6 verlässt. Vorteilhafte Energiespeicherbedingungen ergeben sich weiters, wenn der freie Innenraum, bevorzugter Weise vollständig, mit dem Wärmespeicher 9 ausgefüllt ist. Der Wärmespeicher 9 ist mit der thermischen Kontaktstelle 3 thermisch leitend verbunden, sodass auch dieser die thermische Kontaktstelle 3 erwärmt, um den

thermoelektrischen Generator zu betreiben.

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

11718

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 6 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. Die optischen Elemente 5 können so beschaffen sein, dass sie auch den insbesondere niederfrequenten Anteil des Lichts, der nicht unmittelbar auf die thermischen Kontaktstellen 3 auftrifft, sukzessive in Richtung der thermischen Kontaktstellen

umlenken. Es versteht sich dabei von selbst, dass zur Steigerung der

Energiegewinnungseffizienz auch mehrere Vorrichtungen erfindungsgemäß in

Hauptausbreitungsrichtung 2 angeordnet werden können.

Claims (1)

1. (344246.3) 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 sich zwischen der Kollektoröffnung (1) und einer der Kollektoröffnung (1) in einer Hauptausbreitungsrichtung (2) des einfallenden Lichts gegenüberliegenden Emitteröffnung (6) ein quer zur Hauptausbreitungsrichtung (2) zumindest abschnittsweise reflektierend ausgebildeter Innenraum (4) erstreckt, der von der in Hauptausbreitungsrichtung (2) verlaufenden thermischen Kontaktstelle (3) begrenzt wird und in dem das das Licht teilweise zur thermischen Kontaktstelle (3) hin reflektierende und teilweise zur Emitteröffnung (6) transmittierende optische

   Element (5) angeordnet ist.

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

   Innenwand (7) des Innenraumes (4) reflektierend ausgebildet ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (5) im Innenraum (4) zumindest abschnittsweise von einem

   Wärmespeicher (9) umgeben ist.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der freie

   Innenraum vollständig mit dem Wärmespeicher (9) ausgefüllt ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der

   Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher ist.

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

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Generatoren Seebeck-Elemente sind, deren beheizte Enden die thermische Kontaktstelle (3) bilden oder thermisch leitend mit dieser

   verbunden sind.

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

   eine zur thermischen Kontaktstelle (3) parallele Fläche (11, 12) aufweist.

   9. Thermoelektrisches Kraftwerk mit mehreren Vorrichtungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitteröffnung (6) einer Vorrichtung an die Kollektoröffnung (1) einer in Hauptausbreitungsrichtung (2)

   nachgelagerten Vorrichtung anschließt.