DE102007026178A1

DE102007026178A1 - Thermoelektrischer Generator mit einer Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102007026178A1
Application number: DE102007026178A
Authority: DE
Inventors: Axel Krueger
Original assignee: Krueger Axel Dipling
Current assignee: Krueger Axel Dipling
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2008-12-18

Abstract

Der thermoelektrische Generator erzeugt effizient elektrischen Strom aus Wärmeenergie in Thermomodulen über einen geschlossenen Kältemittelkreislauf eines Wärmepumpensystems bei einer hohen symmetrischen Temperaturdifferenz. Die Wärmeenergie wird direkt über ein technisches Wärmeübertragungssystem in den Kältemittelkreislauf übertragen. Die Wärmepumpe erzeugt dannn die notwendig hohe Temperaturdifferenz in einem integrierten Kondensator/Verdampfer-Tandemwärmetauscher für eine effiziente Stromerzeugung mit einem hohen Energieumwandlungs-Wirkungsgrad. Der so erzeugte elektrische Gleichstrom kann dann nach Umwandlung in Wechselstrom direkt in das öffentliche Stromnetz umweltfreundlich eingespeist werden, bzw. der erzeugte Strom kann auch zu variablen Kühlzwecken aller Art eingesetzt wwerden. Z. B.: Statt Strom für die Kühlung von Gebäuden über Klimaanlagen aus dem Netz zu verbrauchen, kann umgekehrt durch eine geregelte Temperatur-Kühlung mit dem Generator über einen Wärmetauscher elektrischer Strom erzeugt werden, der ökologisch ins Netz zurückgespeist werden kann.

Description

1. Bedeutungen zu 1

Q1:

Einganswärmeenergiefluss (Gas, Flüssigkeit): z. B. Wasser von Solarkollektoren, Sole Wasser, Abwärmeluft von Motoren, Maschinen, und Gebäuden aller Art, oder Geothermie. Die Energiegewinnung erfolgt über direkte oder indirekte Arbeitsmittel.

Q2

Ausgangswärmeenergiefluss: z. B. abgekühlter Wasserfluss, gekühlte Abwärmeluft, Gebäudekühlung, Kühlkreisläufe aller Art für den Energieentzug des Kühlmediums.

Q3

Nutzbare Energiemenge aus der Wärmeaufnahmeeinheit (1) (z. B. Wärmetauscher) Q3 = Q1 – Q2, bzw. Q3' direkt oder indirekt aus der Wärmestrahlungsenergie der Sonne (z. B. Umwandlung in Vakuumröhrenkollektoren, Solarabsorber).

Q4

Eingangs-Energiemenge zu (1). Aggregatzustand des Kältemittels nach dem Doppel-Tandemwärmetauscher (2) mit t5 und p2

Q5

Energiefluss zur Kompressorpumpe (3), erhitzter Dampf mit t6 Energieaufnahme: Q5 = Q3 + Q4

Q6

Energiefluss nach dem Kompressor (3) mit hohem t3 und p1 Eingangsenergiefluss zur Warmseite der Thermomodule: Q6 = Q5 + Q11'

Q7

Ausgangsenergiemenge der Heißseite nach dem Tandemwärmetauscher (2)

Q8

Eingangsenergiefluss zur Kaltseite der Thermomodule. Aggregatzustand des Kältemittels nach dem Expansionsventil (4) mit t7 und p3

Q9

Gesamte Energieübertragungsverluste in (2) der Warm- und Kaltseite.

Q10

Umgesetzte symmetrische elektrische Gesamtenergie in den Thermomodulen (5) ohne Übertragungsverluste: Q10 = (Q6 – Q7) + (Q8 – Q4)

Q11

Antriebsenergie zum Verdichter für Kompression von Q5 (Q11' = Q11 – Verluste)

Q12

Energieflussbegrenzung im Ausgleichswärmetauscher (6) als Sicherheit. t4max darf nicht überschritten werden. Q12 = Q7 – Q13

Q13

Abgeführte Ausgleichsenergie, damit t4max nicht überschritten wird. Q13 entfällt bei Abschaltung des Kompressors in einer alternativen Schutzmaßnahme.

Q14

Nutzbare Wärmeenergie des Thermogenerators für die elektrische Wirkleistung in (7) mit R_L symbolisch. Q14 = Q10 – Q11

2. Gerätebeschreibung (Bezugsliste)

1: Wärmeaufnahmeeinheit (z. B. Wärmetauscher aller Art, Vakuumröhrenkollektor, Temperaturerhöhungseinheit, Solarpanelabsorber, Abluft/Luft-Wärmetauscher für Gebäudeklimatisierungen, Geothermie-Systeme)
2: Doppel-Tandemwärmetauscher (Kältemittelwärmetauscher im Gegenstromprinzip) Kondensator 2a und Verdampfer 2b sind in einer Baueinheit zusammengefasst
3: Kompressorpumpe (Verdichterpumpe)
4: Expansionsventil
5: Thermoelektrische Generatormodule (z. B. TEG, TEP Thermo Electric Power module) (vereinfachte symbolische Darstellung mit Ri)
6: Wärmetauscher für Ausgleichsenergie als Sicherheitsoption
7: Sinnbildlicher Ohmscher Lastwiderstand R_L (elektrische DC Nutzleistung, Maximum bei Ri = R_L)
8: Kältemittelkreislauf (Arbeitsmittelkreislauf)

3. Erklärung der Arbeitsfunktionen
3.1 Wärmeaufnahmeeinheit (1)
Die Wärmeenergiemenge Q3 wird dem Eingangsenergiefluss Q1 entzogen und über die Wärmeaufnahmeeinheit (1) in den Kühlmittelkreislauf (8) direkt oder indirekt übertragen, zur Erzeugung eines überhitzten Gasflusses mit Q5 bei hoher Temperatur t6. Zur Temperaturerhöhung von t6 kann auch die direkte Wärmestrahlungsenergie der Sonne Q3' genutzt werden.
3.2 Tandemwärmetauscher (2) (Mittenschichtsystem)
Im Doppel-Tandemwärmetauscher sind der Kondensator 2a und der Verdampfer 2b in einer integrierten Funktionseinheit zusammengefasst und als Tandem mittenschichtig mit den Thermomodulen fest montiert. Dieser gibt durch Kontaktwärmeübertragung (Konvektion) die Gesamtenergie Q10 an die thermischen Halbleiterbauelemente (5) zu gleichen Teilen symmetrisch ab. Die Warm- bzw. Kaltseite des Wärmetauschers, d. h. die Energieaufnahmeflächen der Thermomodule, werden vom Durchfluss des dampfförmigen bzw. flüssigen Kältemittels im Kondensator/Verdampfersystem immer auf hohe Temperaturdifferenz Δt gehalten (Temperaturdifferenz-Funktionsprinzip). Durch die besondere Konstruktion des filigranen Wärmetauschers mit sehr planen Wärmeübertragungsflächen (sehr guter Wärmeleitwert λ) ist eine gute Wärmeübertragung, und damit eine verlustarme Stromerzeugung, gewährleistet. In der Doppelbauweise sind der Kondensator und der Verdampfer in einem vollständig geschlossenen wärmeisolierten Bauelement zusammengefasst. Durch diese besondere Bauweise wird das neue und effiziente Arbeitsprinzip des thermoelektrischen Generators mit einer Wärmepumpe hauptsächlich begründet.
3.3 Kompressorpumpe (3)
Die Kompressorpumpe erhöht den Energiezustand Q5 (Enthalpie) des Kältemittels durch Druck- u. Temperaturerhöhung des Gases Q6 (z. B: p1 = 25 bar, t3 = 100°C).
3.4 Expansionsventil (4)
Das Expansionsventil reduziert den Aggregatzustand der Kältemittelflüssigkeit, d. h. es ergeben sich geringe Druck- u. Temperaturwerte (z. B: p3 = 1 bar, t7 = –20°C)
3.5 Thermoelektrische Generatormodule (5)
Die Wärmeenergie wird bei einer Temperaturdifferenz von Δt (im Mittel ca. 100°C) im Tandemwärmetauscher (2) direkt umgewandelt und liegt in den Thermomodulen (5) als elektrische Energie Q10 vor (s. symbolische Darstellung in 1). Die elektrische Nutzenergie Q14 wird noch reduziert von der Antriebsenergie des Kompressors Q11. Die elektrische Schaltung der Thermogenerator-Module kann je nach der gewünschten Ausgangsspannung bzw. Ri in serieller und/oder paralleler Gruppenanordnung vorgenommen werden. Im Netzbetrieb entnehmen die Thermo-Generatoren automatisch dem Wärmepumpensystem immer die volle zugeführte Wärme-Energiemenge Q3 zur Umwandlung der entsprechenden maximalen, elektrischen Energie Q14, d. h. es ist ein geschlossener Kreislaufprozess im Energiegleichgewicht und damit eine wichtige Voraussetzung für Kühlprozess-Temperaturregelkreise.
3.6 Wärmetauscher für Ausgleichsenergie (6)
Der Ausgleichswärmetauscher begrenzt zur Sicherheit die maximale Ausgangs-Temperatur t4max in dem dieser entweder über ein Gas- oder Flüssigkeitsmedium eine Ausgleichsenergie Q13 abgibt, oder es wird optional als Funktionsschutz des Gesamtsystems der Kompressor bei t4max Überschreitung ganz abschaltet.
3.7 Ohmscher Lastwiderstand R_L (7)
R_L (Last) ist ein veränderbarer elektrischer ohmscher Widerstand sinnbildlich zur Aufnahme bzw. Regelung und Umwandlung der thermischen Energie Q14.
Die gewonnene elektrische Energie DC kann nach einer Wechselspannungsumwandlung AC direkt in das öffentliche Drehstrom-Netz umweltfreundlich eingespeist werden. Die erzeugte effektive Leistung hängt von den eingesetzten Bauelementen, der Menge der Energieflüsse und von den Umwandlungs-Wirkungsgraden ab. Die elektrische Ausgangsleistung ist auslegungstechnisch bis in den kW-Bereich realisierbar, wobei sich bei steigender Leistung der Gesamt-Generatorwirkungsgrad erhöht.
3.8 Kältemittelkreislauf (8)
Erst durch den Einsatz eines geeigneten Kältemittels im geschlossenen Gegenstrom-Wärmepumpen-Kreislauf des Arbeitsmittels mit dem integrierten Tandemwärmetauscher zur Erzielung einer großen Temperaturdifferenz Δt wird eine effektive Stromerzeugung nach diesem neuen Funktionsprinzip wirtschaftlich bei hohen Wirkungsgraden ermöglicht.
Bei geringen Eingangstemperaturdifferenzen (t1 – t2) kann es zur Erzielung eines hohen Temperaturgefälles Δt alternativ zweckmäßig sein zur Erzeugung des überhitzten Gases Q5 ein separat arbeitendes, mehrstufiges Wärmepumpensystem zur stufenweise Temperaturerhöhung von t6 einzusetzen.

Claims

Die Ansprüche werden damit begründet, dass die Funktionsweise des thermoelektrischen Generators mit einer Wärmepumpe dadurch gekennzeichnet ist, dass 1. die elektrische Gesamtenergie (Q10), erzeugt aus einer hohen Temperaturdifferenz Δt über ein ein- oder mehrstufiges Wärmepumpensystem, durch direkte Wärmekontakt-Energieübertragung (Konvektion) aus vielen Thermogeneratormodulen symmetrisch gewonnen wird und sich die Energieanteile der Kalt- und Warmseite zu je ½ addieren. 2. die Kühlenergie (Q8 – Q4) für die Modulkaltseite im Tandemwärmetauscher (2) zum Verdampfer 2b direkt aus dem Kühlmittelfluss (Q8) nach dem Expansionsventil (4) mit t7 und p3 zur Erzielung einer hohen Temperaturdifferenz Δt entnommen wird. 3. die Energiezuführung (Q7 – Q6) zum Kondensator 2a für die Modul-Warmseite aus dem Wärmefluss (Q6) direkt nach dem Kompressor (3) aus dem Arbeitsmittel mit hoher Kältemitteltemperatur t3, und hohem Druck p1 zur Realisierung einer hohen Temperaturdifferenz Δt erfolgt. 4. die notwendige elektrische Energie für den Kompressor (3) direkt dem Generatormodul (5) nach dem Start der Wärmepumpe für ein autark arbeitendes Gesamtgeneratorsystem entnommen wird. 5. die mittig zentral angeordneten Module als Flächenkühler im Arbeitsmittel-Gegenstrom-Prinzip eines Wärmepumpenkreislaufes heißseitig mit dem Arbeitsmittel vom Energieinhalt Q6 zum Kondensator 2a und kaltseitig mit dem Energieinhalt Q8 zum Verdampfer durchflossen werden, und dass die Module in einer Funktionseinheit zusammengefasst, integriert montiert und vollständig in einer gesamten Tandem-Blockeinheit zur Minimierung der Wärmetauscherverluste (Q9) wärmeisoliert sind. 6. die Eingangswärmeenergie umweltfreundlich direkt oder indirekt aus der Wärmestrahlungsenergie der Sonne gewonnen wird (Solarkonvektion oder Geothermie) und in den Kältemittelkreislauf (8) in Form eines überhitzten Gases (Q5) übertragen wird. 7. alle Thermomodule im Doppel-Tandemwärmetauscherblock (2) in einer integrierten Konstruktion im Multimodulverband doppelseitig und paarig gegenüber auf sehr planen Flächen hart verlötet oder verklebt aufgebaut sind, so dass durch diese Anordnung die Wärmeenergie direkt in elektrische Energie bei hohem Wirkungsgrad umgewandelt wird. 8. bei einer Generatorlastreduzierung im Leerlauf aus Sicherheitsgründen zur Vermeidung von t4max Überschreitung eine zusätzliche Ausgleichsenergiemenge Q13 zur Reduzierung der thermoelektrischen Energiemenge abgeführt wird, bzw. dass eine alternative Sicherheitseinheit den Kompressor bei t4max Überschreitung ganz abschaltet. 9. ein ein- oder mehrstufiges Wärmepumpensystem im temperaturgetrennten Doppel-Wärmetauscher Arbeitsmittelgegenstromprinzip eingesetzt wird, zur Erzielung einer hohen Temperaturdifferenz Δt für die Thermomodule (5), um damit auch bei geringen Temperaturdifferenzen der Eingangsmedien (t1 – t2) eine effiziente, elektrische Wärmeenergieumwandlung zu erreichen. 10. die maximale Generatorleistung der thermischen Eingangswärmeenergie Q3 bei Netzbetrieb automatisch über die Wirkleistungsabgabe (Ri = R_L) angepasst wird, bzw. die Generatorleistung der aufgenommenen Wärmeenergie Q1 zu Kühlzwecken variabel angepasst wird, oder dass in Kühlprozess-Regelkreisen die erforderliche Kühlleistung zur Temperaturstabilisierung über eine geregelte Netzstromeinspeisung realisiert wird.