DE102006022666B4

DE102006022666B4 - Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102006022666B4
Application number: DE102006022666A
Authority: DE
Inventors: Martin JÄGLE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: DE102006022666A1; WO2007131659A2; WO2007131659A3

Abstract

Einrichtung (100) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Thermogenerator (3) und einer damit koppelbaren Wärmequelle, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle eine Sorptions-Kältemaschine (13) mit einem Verdampfer (12) und einem Adsorber (5) vorgesehen ist, dass der Verdampfer (12) und/oder der Adsorber (5) der Sorptions-Kältemaschine (13) in thermischem Kontakt mit dem Thermogenerator (3) stehen, dass der Thermogenerator zur Regeneration der Sorptions-Kältemaschine zumindest zum Heizen ausgebildet ist und dass der Adsorber (5) der Sorptions-Kältemaschine (13) lösbar und austauschbar mit der übrigen Einrichtung verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Thermogenerator und einer damit koppelbaren Wärmequelle.
Akkumulatoren haben sich als Energiequellen für mobile elektrische Geräte etabliert. Allerdings benötigt das Aufladen derselben einen Netzanschluss oder eine sonstige elektrische Energiequelle, welche nicht immer zur Verfügung steht. Es gibt deshalb z.B. brennerbasierte Thermogeneratoren, welche Akkus im Outdoorbereich nachladen können, oder elektronische Kleingeräte betreiben können. Dazu ist jedoch der Brennerbetrieb notwendig, was die Mobilität einschränkt.
Aus der US 6 624 349 B1 ist ein thermoelektrischer Generator bekannt, der zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Dabei wird ein Latentwärmespeicher eingesetzt, der eine Wärmebeaufschlagung des Thermogenerators ermöglicht.
Aus der WO 03/014635 A1 ist eine Kühleinrichtung mit einer Absorptionskühlung mit einer thermoelektrischen Kühlung und Heizung bekannt. Die Kühleinrichtung weist zur Abführung von verdampftem Kühlmittel aus einem Verdampfer zu einem Kondensator wechselweise aktive Reaktoren auf.
Diese Reaktoren werden wechselweise durch eine thermoelektrische Vorrichtung gekühlt oder beheizt. Eine Stromerzeugung ist nicht vorgesehen.
Aus der US 4 251 291 ist ein thermoelektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie bekannt, der mit einem Latentwärmespeichern zur einseitigen Wärmebeaufschlagung des Thermogenerators zusammenarbeitet.
Aus der US 4 734 139 ist ein thermoelektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie bekannt. Dabei wird in üblicher Weise ein thermoelektrisches Modul mit Wärme und Kälte beaufschlagt, das dadurch elektrischen Strom liefert.
Aus der WO 97/00 553 A1 ist ebenfalls ein thermoelektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die als autarke, mobile Energiequelle einen Akkumulator ersetzen oder aufladen kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass als Wärmequelle eine Sorptions-Kältemaschine mit einem Verdampfer und einem Adsorber vorgesehen ist, dass der Verdampfer und/oder der Adsorber der Sorptions-Kältemaschine in thermischem Kontakt mit dem Thermogenerator stehen, dass der Thermogenerator zur Regeneration der Sorptions-Kältemaschine zumindest zum Heizen ausgebildet ist und dass der Adsorber der Sorptions-Kältemaschine lösbar und austauschbar mit der übrigen Einrichtung verbunden ist.
Damit ist eine flammenlose Erwärmung des Thermogenerators ermöglicht, der dabei elektrische Energie zum direkten Betreiben eines Elektrogerätes und/oder zum Aufladen eines Akkumulator liefert.
Eine Regeneration der Sorptions-Kältemaschine kann innerhalb der Einrichtung durch Heizen mittels des Thermogenerators erfolgen.
Andererseits kann der von der Einrichtung lösbare Adsorber entnommen und die Regeneration des Adsorbers getrennt von der Einrichtung vorgenommen werden.
Dazu wird der Adsorber nach Erschöpfung seiner Kapazität aus der Einrichtung entnommen und regeneriert, indem er durch eine zur Verfügung stehende thermische Energiequelle, wie zum Beispiel Lagerfeuer, Auspuffrohr, Ofen und dergleichen schnell getrocknet beziehungsweise erwärmt wird.
Die Trennmöglichkeit der Adsorberkammer oder des Latentwärmespeichers von der übrigen Einrichtung vereinfacht diese Regeneration.
Denkbar ist auch eine Vorratshaltung oder kommerzielle Infrastruktur von erhältlichen, regenerierten Adsorberkammern für den Generatorbetrieb.
Durch den austauschbaren Adsorber kann ein praktisch durchgehender Betrieb des Adsorber-Generators erfolgen.
Zweckmäßigerweise ist eine Verbindungsleitung mit einem verstellbaren Ventil zwischen dem Verdampfer und dem Adsorber der Sorptions-Kältemaschine vorgesehen.
Nach Betätigung des Ventils bildet sich eine lang anhaltende Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Adsorber, durch welche der Thermogenerator betrieben wird.
Vorteilhaft ist es, wenn der Thermogenerator zwischen dem Verdampfer und dem Adsorber der Sorptions-Kältemaschine angeordnet ist und mit beiden in thermischem Kontakt steht. In der Adsorptionsphase mit Verdampfung des Kältemittels wird der Adsorber heiß, während der Verdampfer abkühlt, so dass der dazwischen befindliche Thermogenerator von einer Seite mit Wärme und der anderen Seite mit Kälte beaufschlagt wird und damit einen guten Wirkungsgrad erzielt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Thermogenerator wenigstens ein Peltierelement aufweist.
Damit ist in einem Bauteil sowohl der Thermogenerator als auch ein Heiz- und Kühlelement gebildet, mit dem die Möglichkeit der Regeneration der Adsorberkammer besteht, wenn eine Stromversorgung für das Peltierelement zur Verfügung steht.
Zur Regeneration der Sorptions-Kältemaschine wird die Adsorberkammer aufgeheizt und die Verdampferkammer wird bei der elektrischen Regeneration gekühlt, so dass die verdampfte Flüssigkeit in der Verdampferkammer wiederum kondensiert. Diese Regenerationsweise ermöglicht eine geschlossene, kompakte Bauform der Einrichtung.
Gegebenenfalls kann ein Verdampferbehälter und/oder ein Adsorberbehälter vor Aktivierung der Sorptions-Kältemaschine unter Unterdruck stehen. Dadurch steht das Kältemittel nach dem Herstellen der Verbindung zwischen Verdampfer und Adsorber unter reduziertem Dampfdruck, so dass eine beschleunigte Reaktion erreicht wird.
Gegebenenfalls kann als weitere Wärmequelle für den Thermogenerator, zusätzlich zu der Sorptions-Kältemaschine, ein oder mehrere Latentwärmespeicher vorgesehen sein.
Auch der Latentwärmespeicher ist thermisch regenerierbar, indem er auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt wird.
Dies kann auch mit dem Thermogenerator, also insbesondere mit dem Peltierelement erfolgen.
Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt:
eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer Sorptions-Kältemaschine und einem Thermogenerator.
In der Figur ist eine Einrichtung 100 zur Erzeugung elektrischer Energie dargestellt, die insgesamt einen Adsorber-Generator 1 bildet. Dieser weist einen Thermogenerator 3 auf, der Wärmeenergie in elektrische Energie wandelt. Der Thermogenerator 3 ist dazu mit einer Wärmequelle gekoppelt, die im Ausführungsbeispiel durch eine Sorptions-Kältemaschine 13 gebildet ist. Diese weist einen Verdampfer 12 und einen Adsorber 5 auf.
Im Ausführungsbeispiel stehen sowohl der Verdampfer 12 als auch der Adsorber 5 in thermischem Kontakt mit dem Thermogenerator 3. Der Thermogenerator 3 ist zwischen einem Kältemittel-Behälter 2 des Verdampfers 12 und einem Adsorber-Behälter 4 angeordnet, wodurch sich günstiges thermische Verhältnisse und auch eine kompakte Bauform ergibt.
In dem Adsorber-Behälter 4 befindet sich ein Sorptionsmittel, vorzugsweise Zeolith. Außer Zeolith kommt als Sorptionsmittel unter anderem auch Aktivkohle oder Silikagel in Frage.
Der Verdampfer 12 beinhaltet ein Kältemittel 6, beispielsweise Wasser wegen der meist vorhandenen Verfügbarkeit, das sich in dem Kältemittel-Behälter 2 befindet. Der Kältemittel-Behälter 2 und der Adsorber- Behälter 4 sind über eine Verbindungsleitung 7, in deren Verlauf ein Ventil 8 vorgesehen ist, miteinander verbunden.
Durch Öffnen des Ventiles 8 wird eine Verbindung zwischen dem Adsorber 5 und dem Verdampfer 12 hergestellt. Dabei tritt eine radikale Absenkung des Wasserdampfdrucks in dem mit Wasser gefüllten Verdampfer 12 auf. Das Wasser beginnt zu sieden und kann schließlich zu Eis gefrieren. Die Wasserdampfdruckabsenkung erfolgt durch den Kontakt mit dem getrockneten Zeolith, dessen Adsorptionsfähigkeit für Wasser ausgenutzt wird. Das Zeolith heizt sich dabei auf vergleichsweise hohe Temperaturen auf. Das Ventil 8 ist vorzugsweise einstellbar, so dass damit die Reaktionsgeschwindigkeit der Sorptions-Kältemaschine 13 beeinflussbar ist.
Durch den thermischen Kontakt einerseits des Adsorbers 5 und andererseits des Verdampfers 12 mit dem Thermogenerator 3 wird dieser an seinen Außenseiten mit unterschiedlichen Temperaturen beaufschlagt und setzt diese Temperaturdifferenz, in Elektrizität um. Über elektrische Leitungen 9, 10 kann der Thermogenerator 3 direkt mit einem Verbraucher 11 und/oder mit einem Akkumulator zur Speicherung der elektrischen Energie verbunden sein.
Bevorzugt werden als Thermogenerator ein oder mehrere Peltierelemente eingesetzt. Das Peltierelement kann zur Regeneration des Adsorbers 5 verwendet werden, indem einerseits ein Ausheizen des in dem Adsorber-Behälter 4 befindlichen Sorptionsmittels vorgenommen wird, während der Verdampfer 12 gekühlt wird, so dass die verdampfte Flüssigkeit in dem Kältemittel-Behälter 2 wiederum kondensiert.
Bedarfsweise kann der Adsorber 5 der Sorptions-Kältemaschine lösbar mit der übrigen Einrichtung verbunden sein. Die Regeneration des Adsorbers 5 kann dadurch getrennt von der Einrichtung 100 vorgenommen werden und durch austauschbare Adsorber 5 kann ein praktisch durchgehender Betrieb des Adsorber-Generators 1 erfolgen.
Der Kältemittel-Behälter 2 und/oder der Adsorber-Behälter 4 können unter Vakuum beziehungsweise Unterdruck stehen, so dass nach dem Öffnen des Ventils 8 eine beschleunigte Reaktion eintritt.
Als Wärmequelle kann auch ein Latentwärmespeicher vorgesehen sein, der mit einer Salzlösung befüllt ist. Nach Auslösen einer Kristallisation der Salzlösung wird Kristallisationswärme frei, die zur Erwärmung des Thermogenerators 3 zur Verfügung steht. Dabei können auch mehrere Latentwärmespeicher in thermischem Kontakt mit dem Thermogenerator 3 stehen. Diese können entweder gleichzeitig aktiviert werden für eine hohe Wärmebeaufschlagung des Thermogenerators 3 oder aber zeitlich nacheinander für einen Betrieb über einen entsprechend längeren Zeitraum. Für besondere Anwendungen können als Wärmequelle für den Thermogenerator 3 sowohl eine Sorptions-Kältemaschine 13 als auch ein oder mehrere Latentwärmespeicher eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung 100 eignet sich insbesondere als elektrisch und thermisch regenerierbarer Akku für Anwendungen im OutdoorBereich, im Bereich wearable Clothes, Mikroenergietechnik, tragbare Kleingeräte wie Mobiltelefon, Satellitentelefon, Radio, Funk, CD-, DVD-, MP3Player, Energierückgewinnung im Kraftfahrzeug, waste-energy-recovery, also generell als Energiespeicher.

Claims

Einrichtung (100) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Thermogenerator (3) und einer damit koppelbaren Wärmequelle, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle eine Sorptions-Kältemaschine (13) mit einem Verdampfer (12) und einem Adsorber (5) vorgesehen ist, dass der Verdampfer (12) und/oder der Adsorber (5) der Sorptions-Kältemaschine (13) in thermischem Kontakt mit dem Thermogenerator (3) stehen, dass der Thermogenerator zur Regeneration der Sorptions-Kältemaschine zumindest zum Heizen ausgebildet ist und dass der Adsorber (5) der Sorptions-Kältemaschine (13) lösbar und austauschbar mit der übrigen Einrichtung verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermogenerator (3) zwischen dem Verdampfer (12) und dem Adsorber (5) der Sorptions-Kältemaschine (13) angeordnet ist und mit beiden in thermischem Kontakt steht.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsleitung (7) mit einem verstellbaren Ventil (8) zwischen dem Verdampfer (12) und dem Adsorber (5) der Sorptions-Kältemaschine (13) vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermogenerator (3) wenigstens ein Peltierelement aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptions-Kältemaschine (13) als Sorptionsmittel vorzugsweise Zeolith oder Aktivkohle oder Silikagel aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptions-Kältemaschine (13) als Kältemittel eine Flüssigkeit wie Wasser oder Ethanol aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermogenerator (3) mit einem Akkumulator elektrisch verbunden ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kältemittel-Behälter (2) und/oder ein Adsorber-Behälter (4) vor Aktivierung der Sorptions-Kältemaschine (13) unter Unterdruck steht.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Wärmequelle für den Thermogenerator (3), zusätzlich zu der Sorptions-Kältemaschine (13), ein oder mehrere Latentwärmespeicher vorgesehen sind.