DE102008001147A1

DE102008001147A1 - Electrical energy supplying device i.e. rock bolt, for electronic monitoring- and transmission module, has heat conductive structure connected with thermo-electric generator, which generates electrical energy from temperature difference

Info

Publication number: DE102008001147A1
Application number: DE200810001147
Authority: DE
Inventors: Peter-Michael Dr. Mayer; Christoph Dr. Niklasch
Original assignee: Ed Zueblin AG
Current assignee: Ed Zueblin AG
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-10-15

Abstract

The device i.e. rock bolt (2), has a heat conductive structure (3) i.e. heat-pipe, attached in a longitudinal direction of the device and radially isolated against heat flow, where the device has a length of 1.5 meters. The structure is thermally connected with a thermo-electric generator (4), which generates electrical energy from temperature difference. A transmission module is provided for electromagnetic or sound waves, and sensors are attached to an electronic module for measurement. The electronic module is electrically connected with the generator.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft die netzunabhängige Versorgung eines Elektronikmoduls zur Überwachung von Meßgrößen und Übermittlung von Signalen mit elektrischer Energie im Untergrund.The The invention relates to the mains-independent supply an electronic module for monitoring of measured quantities and transmission of signals with electrical energy in the underground.

Stand der TechnikState of the art

Netzunabhängige Versorgung von Elektronikmodulen, die der Überwachung und Übermittlung von Signalen dienen, erfolgt meist mittels Batterien, die nach einiger Zeit ausgetauscht werden müssen.Off-grid supply from electronic modules to the monitoring and transmission of Serve signals, usually by means of batteries, which after some Time must be exchanged.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Besonders für Endlager radioaktiver Stoffe, die sich tief im Berg/Untergrund befinden, ist eine zuverlässige Überwachung notwendig, die unabhängig von einer äußeren Netzversorgung ist. Die Überwachung muß störunanfällig sein und wartungsfrei oder wartungsarm.Especially for repository radioactive substances located deep in the mountain / subsoil, is a reliable monitor necessary, regardless of an external power supply is. The supervision must be susceptible to interference and maintenance-free or low maintenance.

Eine solche Überwachung ist aber auch für normale Tunnelbauwerke wünschenswert.A such monitoring but is synonymous for normal Tunnel structures desirable.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Mittel anzugeben, das elektronische Überwachungs- und Übermitlungsmodule mit elektrischer Energie versorgt. Dieses Mittel soll weiterhin die Tragfähigkeit der unterirdischen Konstruktion nicht negativ beeinflussen.task It is therefore an object of the present invention to provide a means to provide electronic monitoring and transfer modules supplied with electrical energy. This remedy should continue the carrying capacity of the do not negatively affect underground construction.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.The The object is specified by that in the characterizing part of claim 1 Characteristics solved.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist ein Gebirgsanker (2), der neben seiner lastabtragenden Funktion zusätzlich mit einer längs darin verlaufenden Wärmeleitkonstruktion (3) versehen ist, die die Wärmeenergie einem thermoelektrischen Generator zuführt. Die Wärmeleitkonstruktion kann ein Metall sein aber auch z. B. eine Heat-Pipe (Wärmerohr).An essential feature of the invention is a rock anchor ( 2 ), which in addition to its load-carrying function additionally with a longitudinally extending therein Wärmeleitkonstruktion ( 3 ), which supplies the thermal energy to a thermoelectric generator. The Wärmeleitkonstruktion may be a metal but also z. B. a heat pipe (heat pipe).

Das lastabtragende Material des Gebirgsankers kann aus Metall sein. In diesem Fall ist die darin laufende Wärmeleitkonstruktion zusätzlich gegen den sich darum herum befindlichen Gebirgsanker wärmeisoliert.The The load-bearing material of the rock anchor can be made of metal. In this case, the current-carrying construction running therein is additionally against the thermally isolated around it rock anchor.

Das lastabtragende Material des Gebirgsankers kann aber auch aus einem Kunststoff mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als Metall bestehen. In diesem Fall kann die im Gebirgsanker befindliche Wärmeleitkonstruktion mit einer Isolierung zum Gebirgsanker ausgeführt werden.The but load-bearing material of the rock anchor can also be made from a Plastic with a lower thermal conductivity than metal. In this case, the Wärmeleitkonstruktion located in the rock anchor be carried out with an insulation to the rock anchor.

Es ist aber auch der Fall denkbar, dass auf eine Isolierung der im Gebirgsanker befindlichen Wärmeleitkonstruktion verzichtet wird. In diesem Fall isoliert der Gebirgsanker, der aus einem Kunststoff mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als Metall beschaffen ist, die im Gebirgsanker befindliche Wärmeleitkonstruktion thermisch gegenüber dem den Gebirgsanker umgebenden Fels ab. Der Gebirgsanker kann aber auch bevorzugt aus einem Kunststoff bestehen, der zur Erhöhung der Tragfähigkeit des Gebirgsankers mit Glasfasern versehen ist.It But also the case is conceivable, that on isolation of the Rock anchor located Wärmeleitkonstruktion is waived. In this case, the rock anchor isolated from obtain a plastic with a lower thermal conductivity than metal is, in the rock anchor located Wärmeleitkonstruktion thermally across from the rock surrounding the mountain anchor. The mountain anchor can but also preferably consist of a plastic which is used to increase the Load capacity of the rock anchor is provided with glass fibers.

Die Wärmeleitkonstruktion (3) leitet bei Vorliegen eines Temperaturgradienten zwischen den beiden Wärme-/Kältepolen (1) und (5) die Wärme von den Polen (1) und (5) zu einem mit der Wärmeleitkonstruktion (3) thermisch verbundenen thermoelektrischen Generator (4). Die beiden Wärme-/Kältepole (1) und (5) sind dabei an die warme bzw. kalte Seite des thermoelektrischen Generators (4) angeschlossen. Der thermoelektrische Generator (4) erzeugt dann aus einer anliegenden Temperaturdifferenz elektrische Energie. Der thermoelektrische Generator (4) basiert auf dem Seebeck-Effekt.The heat conducting construction ( 3 ) conducts in the presence of a temperature gradient between the two heating / cooling poles ( 1 ) and ( 5 ) the heat from the poles ( 1 ) and ( 5 ) to one with the Wärmeleitkonstruktion ( 3 ) thermally connected thermoelectric generator ( 4 ). The two heat / cold poles ( 1 ) and ( 5 ) are on the hot or cold side of the thermoelectric generator ( 4 ) connected. The thermoelectric generator ( 4 ) then generates electrical energy from an applied temperature difference. The thermoelectric generator ( 4 ) is based on the Seebeck effect.

Durch die im erfindungsgemäßen Gebirgsanker längs verlaufende Wärmeleitkonstruktion (3) wird die am thermoelektrischen Genrator (4) auftretende Temperaturdifferenz vergrößert und damit dort mehr elektrische Energie erzeugt. Die Vergrößerung der am thermoelektrischen Generator anliegenden Temperaturdifferenz geschieht durch die Ausnutzung des Temperaturgradienten, der zwischen den beiden Enden eines langen Gebirgsankers vorliegt.By the longitudinally extending in the rock anchor according to the invention Wärmeleitkonstruktion ( 3 ) at the thermoelectric generator ( 4 ) increases temperature difference and thus generates more electrical energy there. The increase in temperature applied to the thermoelectric generator temperature difference occurs by the utilization of the temperature gradient, which is present between the two ends of a long rock anchor.

Denn durch seine Länge durchläuft er ein größeres Temperaturgefälle als ein nur kurzer Stab, wie er herkömmlich für die Ausnutzung von Temperaturgefällen eingesetzt wird.Because by its length goes through he has a larger temperature gradient than a short stick just like it used to be for the Utilization of temperature gradients is used.

Es muß also nicht zusätzlich noch ein weiteres Element zur thermoelektrischen Energieerzeugung eingebaut werden, sondern es kann erfindungsgemäß ein sowieso schon aus statischen lastabtragenden Gründen vorhandenes und dazu noch wesentlich längeres und damit viel geeigneteres Element dafür eingesetzt werden!It so must not in addition yet another element for thermoelectric power generation can be installed, but it can according to the invention anyway already from static load-bearing establish existing and much longer and thus much more suitable Element for it be used!

Durch die Erfindung ist es daher möglich, den über die Länge eines Gebirgsankers auftretenden Temperaturgradienten zur Erzeugung von elektrischer Energie zu verwenden.By the invention it is therefore possible to over the Length of one Rock anchor occurring temperature gradient for the production of to use electrical energy.

Der derart ausgebildete erfindungsgemäße Gebirgsanker hat in der Regel eine Länge von mehr als 1,5 Meter.Of the such trained inventive rock anchor has in the Usually a length of more than 1.5 meters.

Die damit erzeugte elektrische Energie wird dazu verwendet, ein mit dem thermoelektrischen Generator (4) elektrisch verbundenes Elektronikmodul (6) mit elektrischer Energie zu versorgen. Aufgabe des Elektronikmoduls (6) ist es, Werte von einem oder mehreren an das Elektronikmodul angeschlossene Sensoren auszulesen. Die derart ausgelesenen Werte werden von dem Elektronikmodul über ein Übertragungsmodul drahtlos übertragen.The electrical energy generated thereby is used, one with the thermoelectric generator ( 4 ) electrically connected electronic module ( 6 ) to provide electrical energy. Task of the electronic module ( 6 ) is to read values from one or more sensors connected to the electronic module. The values thus read out are transmitted wirelessly by the electronic module via a transmission module.

Die erzeugte elektrische Energie kann zusätzlich in einem dazugehörigen Akku zwischengespeichert und dann schubweise und dafür in größerer Menge abgerufen werden. Ein solches schubweises Abrufen von elektrischer Energie aus dem Akku ist z. B. für die drahtlose Übermittlung von Daten sinnvoll, die, je nach Größe der Überdeckung des Senders mit Gebirge, über Funk geeigneter elektromagnetischer Wellenlänge oder aber Schallwellen erfolgen kann.The generated electrical energy can additionally in an associated battery cached and then retrieved in batches and in larger quantities. Such a batch retrieval of electrical energy from the Battery is z. For example the wireless transmission useful, which, depending on the size of the coverage of the transmitter with mountains, via radio suitable electromagnetic wavelength or sound waves can be done.

Abhängig von den Umgebungsbedingungen kann das Gehäuse (7) des Elektronikmoduls (6) unterschiedlich ausgestaltet werden. Bei der Verwendung eines metallischen Materials kann das Gehäuse gleichzeitig als Wärmepol (5) verwendet werden. Es ist aber auch die Ausbildung des Gehäuses aus einem Kunststoff oder einem Beton, bevorzugt einem faserverstärkten Beton möglich. Zusätzlich kann das Gehäuse aus mehreren Schichten bestehen. Es ist zum Beispiel denkbar, das Gehäuse aus einem metallischen Material zu fertigen, das von einem umgebenden nichtmetallischen Material geschützt wird, z. B. einem Kunststoff oder einem Beton, bevorzugt einem faserverstärkten Beton.Depending on the environmental conditions, the housing ( 7 ) of the electronic module ( 6 ) are designed differently. When using a metallic material, the housing can also be used as heat pol ( 5 ) be used. But it is also the formation of the housing made of a plastic or a concrete, preferably a fiber reinforced concrete possible. In addition, the housing may consist of several layers. For example, it is conceivable to fabricate the housing from a metallic material which is protected by a surrounding non-metallic material, e.g. As a plastic or a concrete, preferably a fiber reinforced concrete.

Bevorzugt wird das Gehäuse des Elektronikmoduls mechanisch mit dem Gebirgsanker mit darin laufender Wärmeleitkonstruktion verbunden. Diese mechanische Verbindung hat den Vorteil, einen einbaufertigen Gebirgsanker mit darin laufender Wärmeleitkonstruktion zum Betrieb eines ebenfalls in dieser Einheit befindlichen thermoelektrischen Generators zu erhalten. Durch die ebenfalls erfolgende Integration eines durch den thermoelektrischen Generators mit elektrischer Energie versorgten Elektronikmoduls ist es möglich, Daten eines optional ebenfalls in diese Einheit integrierten Sensors zu erfassen und durch das integrierte Elektronikmodul und Übertragungsmodul drahtlos zu übertragen.Prefers becomes the case of the electronic module mechanically with the rock anchor with it running Wärmeleitkonstruktion connected. This mechanical connection has the advantage of being ready for installation Rock anchor with heat conducting construction running in it for operation a likewise located in this unit thermoelectric To get generator. Through the integration that also takes place one through the thermoelectric generator with electrical energy powered electronic module, it is possible to have an optional data also to be integrated into this unit integrated sensor and through to wirelessly transmit the integrated electronic module and transmission module.

Man erhält dadurch eine energieautarke Sensoreinheit, die aufgrund der Ausnutzung eines Temperaturgradienten über die Länge des stromerzeugenden Gebirgsankers in der Lage ist, unabhängig von einer kabelgebundenen Energieversorgung selbst die für den Betrieb notwendige Energie der Umgebung des Gebirgsankers zu entziehen.you receives thereby an energy self-sufficient sensor unit, due to the utilization a temperature gradient over the length of the electricity generating rock anchor is capable, independently of a wired power supply itself for the operation to extract necessary energy from the surroundings of the rock anchor.

Abhängig von den Umgebungsbedingungen ist es möglich, das Ende des stromerzeugenden Gebirgsankers mit dem Elektronikmodul zum einen an das Gebirgsende des Gebirgsankers zu setzen aber auch an das Ende, das eventuell aus dem Gebirge herausragt.Depending on the ambient conditions it is possible the end of the electricity generating Rock anchor with the electronics module on the one hand to the mountain end of the mountain anchor but also to the end, that possibly protruding from the mountains.

Bei einem Endlager für radioaktive Stoffe liegt das Elektronikmodul bevorzugt am Gebrigsende des Ankers, also weit entfernt von störender radioaktiver Strahlung. Der Sensor ragt hingegen natürlich aus dem Gebirge in den Innenraum hinein oder liegt dicht unter der Oberfläche zum Innenraum (z. B. zur Messung von radioaktiver Strahlung).at a repository for radioactive substances, the electronic module is preferably at Gebrigsende of Ankers, so far from disturbing radioactive radiation. The sensor stands out naturally into the interior of the mountains or just below the surface Interior (eg for the measurement of radioactive radiation).

Die Beschaffenheit des Gebirges kann variieren und ist nicht fest vorgegeben.The The nature of the mountains can vary and is not fixed.

Durch den thermoelektrischen Generator, der mit dem erfindungsgemäßen Gebirgsanker thermisch verbunden ist, können aber auch andere Verbraucher elektrischer Energie angeschlossen werden. Denkbar ist zum Beispiel die Versorgung von Beleuchtungseinrichtungen.By the thermoelectric generator with the rock anchor according to the invention thermally connected, can but also other consumers of electrical energy connected become. It is conceivable, for example, the supply of lighting equipment.

Es ist auch eine Zusammenschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Gebirgsanker zu einer Gesamteinheit möglich, die es gestattet, größere Mengen Energie zu erzeugen. Diese Energie wird dann an ein Elektronikmodul weitergeleitet, welches sich in einem der Gebirgsanker befindet, oder auch getrennt angebracht ist.It is also an interconnection of several inventive rock anchors to a total unit possible, which allows larger quantities To generate energy. This energy is then sent to an electronics module forwarded, which is located in one of the rock anchors, or separately attached.

Die Figuren zeigen eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen energieerzeugenden Gebirgsankers.The Figures show a possible Embodiment of the energy-generating rock anchor invention.

1 zeigt einen Anker ohne Elektronikmodul 1 shows an anchor without electronic module

2 zeigt ihn mit Elektronikmodul 2 shows him with electronics module

3 zeigt detaillierter das Elektronikmodul samt einer möglichen Ausgestaltung des Gehäuses 3 shows in more detail the electronic module including a possible configuration of the housing

11: Wärme-/KältepolHeat / cold pole
22: Gebirgsankerrock bolts
33: WarmeleitkonstruktionWarmeleitkonstruktion
44: thermoelektrischer Generatorthermoelectric generator
55: Wärme-/KältepolHeat / cold pole
66: Elektronikmodulelectronic module
77: Gehäusecasing

Claims

A device for supplying an underground electronic module with electrical energy, characterized in that it is a rock bolt of at least 1.5 meters in length, in the longitudinal direction of a Wärmeleitkonstruktion is attached, which is radially insulated against heat flow, and that this Wärmeleitkonstruktion thermally with a thermoelectric generator is connected, which generates electrical energy from the temperature difference.

Rock anchor according to claim 1, characterized that he contains an electronic module.

Rock anchor according to at least one of claims 1 and 2, characterized in that a transmission module for electromagnetic or sound waves.

Rock anchor according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that it at least a sensor for Has measured variables.