DE102004034688B4 - Luftheiz- und Konvektionsofen mit einem thermoelektrischen Generator und mit Fotovoltaik-Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Luftheiz- und Konvektionsofen (1) mit einem thermoelektrischen Generator (3) und mit Fotovoltaik-Generatoren (5) zur Erzeugung von elektrischer Energie, mit einem Heizkessel mit einer Brennkammer (11) und einem Abgaskanal (12), und wobei der thermoelektrische Generator (3) äußere und innere Halbleiterelemente (31, 32) aufweist, die mit einem Stromabnehmer und einem Speicher zur Speicherung der elektrischen Energie in Verbindung stehen und wobei die äußeren Halbleiterelemente (31) mit einem Kühlkreislauf (4) in Verbindung stehen und die inneren Halbleiterelemente (32) an einer Tragschicht (53) angeordnet sind, die mit einer eine Schicht (52) bildenden Anzahl von Fotovoltaik-Generatoren (5) verbunden ist, an denen eine zu der Brennkammer (11) weisende Frequenzwandlerschicht (54) mit einer die Brennkammer (11) abschirmenden, feuerfesten und lichtdurchlässigen Schutzschicht (51) angeordnet ist, und wobei der thermoelektrische Generator (3), die Fotovoltaik-Generatoren (5) und die Frequenzwandlerschicht (54) mit der Brennkammer (11) räumlich in einer Kombination angeordnet sind und der thermoelektrische Generator (3) und die Fotovoltaik-Generatoren (5) in...

Description

• Die Erfindung betrifft einen Luftheiz- und Konvektionsofen mit einem Heizkessel mit einer Brennkammer mit Abgaskanal und einem thermoelektrischen Generator, dessen thermoelektrische Elemente einerseits der Brennkammer ausgesetzt und andererseits gekühlt sind, wobei die thermoelektrischen Elemente mit einem Stromabnehmer in Verbindung stehen.
• Peltierelemente erzeugen mit Hilfe elektrischer Ströme an den Übergangsstellen eines Elementes entweder Wärme oder Kälte. Beim Einspeisen von Wärme oder Kälte auf die Übergangsstellen eines Peltierelementes produziert es elektrische Energie nach dem Seebeck-Effekt, 1821 von Seebeck gefunden. Der Temperaturgradient dT/dx in x-Richtung erzeugt ein elektrisches Feld E_x = φ·dT/dx; mit φ als Seebeck-Koeffizient oder differentielle Thermospannung.
• Ein thermoelektrisches Element nach dem Stand der Technik ist aus einer Vielzahl von strukturellen Einheiten aufgebaut, wobei jede strukturelle Einheit einen p-Typ-thermoelektrischen Halbleiter, einen n-Typ-thermoelektrischen Halbleiter und eine Elektrode aufweist, die diese Halbleiter verbindet. In diesem Fall besitzt jeder Halbleiter seine eigene vorbestimmte Dicke, die als Warmeströmungslänge bezeichnet wird. Sie definiert den Abstand zwischen zwei Seiten der Halbleiter, die zu einer warmen thermischen Quelle, zum Beispiel einer Brennkammer, beziehungsweise zu einer kalten thermischen Senke, zum Beispiel Kühlrippen, weisen.
• Mit einer Weiterentwicklung der Halbleitertechnik sind thermoelektrische Generatoren als plattenförmige Halbleiter-Elemente entstanden. Diese weisen einen erheblich besseren Wirkungsgrad und eine geringere maximal mögliche Betriebstemperatur als herkömmliche bekannte thermoelektrischen Generatoren auf.
• Anlagen zur Gewinnung von elektrischer Energie, die jeweils aus einer beliebigen Anzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen gebildet sind, deren Kontaktstellen einerseits erwärmbar und andererseits kühlbar sind, sind in vielfältigen Ausführzungen seit langem bekannt.
• So ist aus DE 28 06 337 C2 eine Sonnenkollektorenanlage zur unmittelbaren Umwandlung der zugeführten Wärmeenergie in elektrische Energie zu entnehmen, die sich dadurch auszeichnet, dass sie nach Fortfall der Sonnenstrahlung über einen größeren Zeitraum von wenigstens einigen Stunden mit der Lieferung der elektrischen Energie fortfährt. Hierfür wird eine Einrichtung zur Abführung der von den Sonnenkollektoren an das Kühlfluid bei Sonneneinstrahlung abgegebenen Wärmeenergie zu einer Speichereinrichtung, von welcher die gespeicherte Wärmeenergie bei fehlender Sonneneinstrahlung dem Kühlfluid unter Erwärmung desselben auf eine die Temperaturdifferenz in den Sonnenkollektoren umkehrende Temperatur wieder zuführbar ist, vorgeschlagen.
• Aus der DE 199 46 806 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie nach dem Seebeck-Effekt bekannt. Dort wird beschrieben, die in technischen Anlagen anfallende Abwärmeverluste mittels des Seebeck-Effekts zur Stromerzeugung zu nutzen und als hochwertige Energie wieder zurückzugewinnen. Im Detail bezieht sich diese Lösung auch auf ein Energiemodul zur Ausnutzung eines Temperaturgefälles in den das Abgas führenden Kanalwandungen einer fossil befeuerten Heizungsanlage, an der oder in die die Wandung des Rauchrohres und/oder des Abgaskamins an- bzw. eingebaut wird und beschreibt auch den prinzipiellen Aufbau der Situation einer fossil (mit Öl oder Gas) gefeuerten Anlage zur Wärme/Strom/Kraftgewinnung. Seebeck-Elemente nutzen die Temperaturunterschiede zwischen den Rauchgasen und der Umgebungsluft zur Energiegewinnung aus.
• Aus der DE 196 19 042 A1 ist ein Luftheizofen mit einem thermoelektrischen Generator bekannt, dessen Halbleiterelemente auf der heißen Seite mit dem aus der Heizfläche austretenden Rauchgas und auf der kalten Seite mit Kühlwasser beaufschlagt wird, dessen Zirkulation mit einer Umwälzpumpe und einem Kühler, in dem Außenluft das Wasser zurückkühlt, realisiert wird, so daß der Luftheizofen neben Heizluft auch elektrische Energie an den Klemmen des thermoelektrischen Systems bereitstellt. Diese Schrift stützt sich auf das Patent DD 264 193 A1 , einer Luftheizung für Schienenfahrzeuge, welche die durch Seebeck-Effekt gewonnene elektrische Energie zum Antrieb eines Heißluftventilators verwendet.
• In der DE 40 42 015 C2 ist eine Heizvorrichtung mit einer Brennkammer mit einer Fördereinrichtung für ein Wärmeträgermedium beschrieben, insbesondere für Fahrzeuge, wie Wohnwagen, Wohnmobile und Boote, mit einem für die Energieversorgung der Fördereinrichtung vorgesehenen thermoelektrischen Element, dessen Kontaktstellen zwischen der Heiß- und der Kaltseite der Heizvorrichtung angeordnet sind.
• Die EP 0 290 833 B1 bezieht sich auf die DE 3 148 162 C2 und beschreibt eine Heizung, insbesondere für Wohnmobile und Boote, welche die Wärme an einen Wärmeträger abgibt, der sich in einer die Brennkammer umgebenden Heizkammer befindet und zur Wärmeabgabe an den zu beheizenden Raum mittels mindestens einer von einem Elektromotor angetriebenen Strömungsmaschine transportiert wird. Dabei wird der Strom für den Elektromotor durch mindestens einen thermoelektrischen Generator aus der durch die Flamme(n) in der Brennkammer erzeugten Wärme gewonnen wird. Hier wird der thermoelektrische Generator als plattenförmiges Halbleiterelement ausgebildet und im Abgaskanal der Brennkammer derart angeordnet, daß die aufzuheizende Seite im Abgasstrom und die kalte Seite im Bereich der Umgebungsluft liegt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Luftheizofen und Konvektionsofen der genannten Art zu schaffen, der sich durch einen höheren Gesamtwirkungsgrad auszeichnet.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst; weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
• Mit einer Verbindung von thermoelektrischen Halbleiterelementen und einer weiteren Umwandlung von der durch die Brennflamme entstehenden Licht- und Infrarotstrahlen kann der Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessert werden.
• Peltierelemente haben gegenüber Fotovoltaik-Elementen einen geringeren Wirkungsgrad. Peltierelemente haben aber den Vorteil, daß sie jede Art der thermischen Energie, das heißt auch sehr langwellige Strahlung, in elektrische Energie umzusetzen vermögen. Fotovoltaik-Elemente aus Silizium sind für Strahlen im Bereich des sichtbaren Lichtes sowie des nahen Infrarot-Bereiches nutzbar.
• Wärme wird auch durch Strahlung übertragen. Die thermische Strahlung besteht aus einem Spektrum elektromagnetischer Wellen im Wellenlängenbereich zwischen λ = 0.76 und λ = 360μm und unterscheidet sich vom sichtbaren Licht durch ihre große Wellenlänge. Der Bereich des sichtbaren Lichtes umfaßt eine Strahlung im Bereich einer Wellenlänge von λ = 380nm (blau) bis 780 nm (rot).
• Nach der Erfindung weist ein Luftheiz- und Konvektionsofen mindestens einen thermoelektrischen Generator auf. Dieser Generator arbeitet nach dem Seebeck-Effekt und ist aus einem Verbund von Halbleiterelementen ausgebildet. Gemäß der Erfindung ist der Luftheizofen oder Konvektionsofen im weiteren mit mindestens einem Fotovoltaik-Generator verbunden. Dieser Fotovoltaik-Generator dient der Umwandlung der von einer offenen Flamme in der Brennkammer des Ofens ausgesendeten Licht- bzw. Infrarotstrahlen in elektrische Energie.
• Die Fotovoltaik-Generatoren sind an der innenliegenden Bewandung der Brennkammer des Ofens angeordnet. Diese Brennkammer ist mit einer feuerfesten, lichtdurchlässigen Schutzschicht ausgekleidet, welche eine dahinter liegende Frequenzwandlerschicht bedeckt und die Schicht der Fotovoltaik-Generatoren bedeckt und schützt.
• Die Schutzschicht ist mit einer Oberflächenstruktur versehen, welche eine Ablagerung und eine Festsetzung von Fremdpartikeln auf der Schutzschicht verhindert. Die Frequenzwandlerschicht dient zur Filterung und Umwandlung der Lichtstrahlen in ein für die Fotovoltaik-Generatoren vorteilhaftes Frequenzspektrum.
• Gemäß der Erfindung verbessert die Verbindung von thermoelektrischen Halbleiterelementen mit Fotovoltaik-Generatoren und der Umwandlung von der durch die Brennflamme in der Heizkammer entstehenden Licht- und Infrarotstrahlen durch die Fotovoltaik-Generatoren den Gesamtwirkungsgrad des Luftheiz- und Konvektionsofens bzw. des Kessels.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
• 1 eine Schemadarstellung eines Luft- und Konvektionsofens gemäß der Erfindung;
• 2 ein Prinzip der Zusammenschaltung der verwendeten Einzelelemente und
• 3 den prinzipiellen Aufbau des Luftheiz- und Konvektionsofens.
• In der 1 ist ein Luftheiz- und Konvektionsofen gemäß der Erfindung schematisch dargestellt und mit der 1 bezeichnet.
• Der Luftheiz- und Konvektionsofen 1 weist eine Brennkammer 11 und einen davon abgeleiteten Abgaskanal 12 auf. Im Bereich der Brennkammer 11 ist ein thermoelektrischer Generator 3 angeordnet, der nach dem Seebeck-Prinizp einen durch die Verbrennungswärme in der Brennkammer 1 erzeugten Temperaturunterschied in elektrische Energie umwandelt.
• Der thermoelektrische Generator besteht aus einer Anzahl plattenförmiger äußerer und innerer Halbleiterelemente 31 und 32, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.
• Während die inneren Halbleiterelemente 32 der Brennkammer 11 zugewandt und diese der Wärmestrahlung ausgesetzt und heiß sind, sind die äußeren Halbleiterelemente 31 von der Brennkammer abgewandt, wodurch diese äußeren Halbleiterelemente 31 kälter sind, als die der Brennkammer 11 zugewandten inneren Halbleiterelemente 32.
• Für eine bestmögliche Ausnutzung der vorhandenen Temperaturunterschiede werden die inneren Halbleiterelemente 32 einerseits nahe an die Brennkammer 11 und in einer zweiten Ausformung in der Bewandung des Abgaskanals 12 angebracht.
• Die äußeren Halbleiterelemente 31 sind im außen liegenden Bereich der Bewandung der Brennkammer 11 oder des Abgaskanals 12 angeordnet. Die äußeren Halbleiterelemente 31 sind überdies mit einem Kühlwasserkreislauf 4 verbunden, dessen Kühlwasser 42 die äußeren Halbleiterelemente 31 weiter abkühlt.
• Infolge des hohen Temperaturunterschieds zwischen den heißen inneren und den kalten äußeren Halbleiterelementen 31 und 32 wird der angestrebte hohe Wirkungsgrad erreicht.
• Der Luft- und Konvektionsofen 1 weist im Weiteren wenigstens einen Fotovoltaik-Generator 5 auf. Der Fotovoltaik-Generator 5 ist an der innen liegenden Bewandung der Brennkammer 11 des Luftheiz- und Konvektionsofens 1 angeordnet.
• Die Brennkammer 11 ist dazu mit einer feuerfesten, lichtdurchlässigen Schutzschicht 51 aus Glas ausgekleidet, die eine dahinter liegende Frequenzwandlerschicht 54 und eine im Weiteren dahinter liegende Schicht der Fotovoltaik-Generatoren 52 abdeckt und diese vor einem direkten Kontakt mit der Brennkammer 11 und deren offenen Flammen schützt.
• Die feuerfeste, lichtdurchlässige Schutzschicht 51 ist vorzugsweise mit einer Oberflächenstruktur versehen, welche eine Ablagerung und eine Festsetzung von Fremdpartikeln an der Oberfläche der Schutzschicht 51 verhindert. Diese Eigenschaften sind mit einer Schutzschicht 51 aus feuerfestem, lichtdurchlässigem Glas mit Vorzug erreichbar.
• Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind insbesondere um die Bewandung der Brennkammer 11 herum die thermoelektrischen Generatoren 3 und die Fotovoltaik-Generatoren 52 räumlich in einer Kombination angeordnet und in Reihe geschaltet.
• In der von der Brennkammer 11 nach außen hin gesehenen Richtung angeordneten feuerfesten, lichtdurchlässigen Schutzschicht 51 folgt die Schicht der Fotovoltaik-Generatoren 52 und eine weitere tragende Schicht 53, welche die Fotovoltaik-Generatoren 52 aufnimmt, die auftretenden Temperaturspannungen ausgleicht, und in welche die inneren Halbleiterelemente 32 des thermoelektrischen Generators 3 auf der heißen Seite der Brennkammer 11 eingelagert sind.
• In der 2 ist ein Prinzip einer in Reihe zusammen geschalteter Anordnung von Einzelelementen gemäß der Erfindung dargestellt.
• In der 3 ist ein prinzipieller Aufbau des Luftheiz- und Konvektionsofen nach der Erfindung dargestellt, wobei erkennbar ist, wie die von einer Feuerung in einer Brennkammer abstrahlende Strahlungswärme den Frequenzwandler passiert, in dem die Wärmestrahlung aus den Flammen mittels Frequenzwandler in eine kurzwelligere elektromagnetische Strahlung transformiert wird und in den nachgeschalteten Fotozellen des Fotovoltaik-Generators in elektrische Energie umgewandelt werden.
• Die in weiterer Richtung des Rauchgasstromes in Richtung des Abgases beziehungsweise Abgaskanals im heißen Rauchgas angeordneten und nach dem Seebeck-Effekt arbeitende Anzahl thermoelektrischer Generatoren sind in Reihe zu den vorgenannten Elementen geschaltet, die der weiteren Verstärkung des bisher gewonnenen elektrischen Energie beitragen.
• Die ferner in den Abgasstrom eingeordneten Luftvorwärmer dienen dazu, die für den Verbrennungsprozess in der Feuerung benötigte Verbrennungsluft vorzuwärmen, wodurch der Verbrennungsprozess insgesamt verbessert und der Abgasausstoß sowie die Emission von Schadstoffen verringert wird.
• Die gewonnene elektrische Energie wird in vorteilhafter Weise für den Brenn-, Steuer- und Regelprozess einer entsprechenden Luftheiz- und Konvektionsofenanordnung, zum Betrieb einer Warmwasser- beziehungsweise Heizwasserversorgungseinrichtung eingesetzt oder in einer entsprechenden Speichereinrichtung zwischengespeichert, wodurch die erfindungsgemäße Einrichtung neben den anderen Vorteilen im Wesentlichen unabhängig von einer externen elektrischen Energiequelle und somit störungsfrei arbeitsfähig ist. Der durch die Anordnung erzielte Überschuss an gewonnener Elektroenergie kann ins Elektroenergieversorgungsnetz eingespeist werden.

1

Luftheiz- und Konvektionsofen

11

Brennkammer

12

Abgaskanal

3

Thermoelektrischer Generator

31

äußeres Halbleiterelement, kalte Seite

32

inneres Halbleiterelement, heiße Seite

4

Kühlkreislauf

41

Umwälzpumpe

42

Kühlwasser

43

Kühler

5

Verbund von Fotovoltaik-Generatoren

51

feuerfeste, lichtdurchlässige Schutzschicht

52

Fotovoltaik-Generator

53

tragende Schicht mit Halbleiterelementen, heiße Seite

54

Frequenzwandlerschicht

Claims (4)

1. Luftheiz- und Konvektionsofen (1) mit einem thermoelektrischen Generator (3) und mit Fotovoltaik-Generatoren (5) zur Erzeugung von elektrischer Energie, mit einem Heizkessel mit einer Brennkammer (11) und einem Abgaskanal (12), und wobei der thermoelektrische Generator (3) äußere und innere Halbleiterelemente (31, 32) aufweist, die mit einem Stromabnehmer und einem Speicher zur Speicherung der elektrischen Energie in Verbindung stehen und wobei die äußeren Halbleiterelemente (31) mit einem Kühlkreislauf (4) in Verbindung stehen und die inneren Halbleiterelemente (32) an einer Tragschicht (53) angeordnet sind, die mit einer eine Schicht (52) bildenden Anzahl von Fotovoltaik-Generatoren (5) verbunden ist, an denen eine zu der Brennkammer (11) weisende Frequenzwandlerschicht (54) mit einer die Brennkammer (11) abschirmenden, feuerfesten und lichtdurchlässigen Schutzschicht (51) angeordnet ist, und wobei der thermoelektrische Generator (3), die Fotovoltaik-Generatoren (5) und die Frequenzwandlerschicht (54) mit der Brennkammer (11) räumlich in einer Kombination angeordnet sind und der thermoelektrische Generator (3) und die Fotovoltaik-Generatoren (5) in Reihe geschaltet sind.
2. Luftheiz- und Konvektionsofen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (11) mit einem Luftvorwärmer und dem Kühlkreislauf (4) verbunden ist, wobei einerseits vorgewärmte Luft als Verbrennungsluft in die Brennkammer (11) rückführbar ist und wobei andererseits Kühlwasser (42) des einen Kühler (43) und Umwälzpumpe (41) aufweisenden Kühlkreislaufs (4) mit einem Warmwasserbereiter und/oder Heizkreislauf in Verbindung steht.
3. Luftheiz- und Konvektionsofen (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtdurchlässige Schutzschicht (51) an der der Brennkammer (11) zugewandten Seite eine strukturierte Oberfläche aufweist.
4. Luftheiz- und Konvektionsofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte elektrische Energie zur Steuerung und Regelung des Heizkessels und wenigstens einer Pumpenanordnung zur Warmwasser- und Heizkreislaufversorgung eingesetzt und/oder in einem mit der Einrichtung verbundenen Speicher zwischengespeichert und bedarfsweise verfügbar ist.