DE102008042927A1

DE102008042927A1 - Einrichtung für die Energiewandlung

Info

Publication number: DE102008042927A1
Application number: DE102008042927A
Authority: DE
Inventors: Peter Baeuerle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-04-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Energiewandlung mit einer Wärmestrahlung in elektrische Energie umwandelnden Photovoltaikzelle. Die Photovoltaikzelle 3, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f ist auf der Innenoberfläche eines Trägerelements 25, 25a, 25b angeordnet, das der Wärmestrahlung einer im Betrieb aufheizbaren Komponente 1, 1a, 1b einer Wärmekraftmaschine ausgesetzt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Energiewandlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Einrichtung ist insbesondere für eine Anwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Sie eignet sich jedoch auch für eine Anwendung bei stationären Wärmekraftmaschinen, bei deren Betrieb Abwärme in Form von Wärmestrahlung entsteht. Angesichts ständig steigender Kraftstoffkosten wird eine Verbrauchsoptimierung von Kraftfahrzeugen angestrebt. Dazu kann eine sinnvolle Nutzung bisher vernachlässigter Energie beitragen, die beispielsweise bisher als nicht genutzte Abwärme verloren gegangen ist.
Es wurde bereits vorgeschlagen (BMW Technologietag München, 14. Mai 2008), in einem Kraftfahrzeug einen thermoelektrischen Generator vorzusehen, der die direkte Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom ermöglicht. Bei diesem Prinzip der Stromgewinnung macht man sich den Effekt zu Nutze, dass in thermoelektrischen Halbleiterelementen bei einem Temperaturgefälle eine elektrische Spannung entsteht (Seebeck- Effekt). Bei Integration des Generators in den Abgasstrang kann so die Verlustwärme im Abgas genutzt werden.
Aus der Dissertation von Thomas Schlegl "GaSb-Photovoltaikzellen für die Thermophotovoltaik", Regensburg 2005, ist es weiterhin bereits bekannt, thermische Energie mittels Photovoltaikzellen in elektrische Energie umzuwandeln.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung für die Energiewandlung zu schaffen, die es ermöglicht, die bisher weitgehend ungenutzte Abwärme einer Wärmekraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, zu nutzen, um auf diese Weise den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannte Einrichtung für die Energiewandlung gelöst. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass mittels optimierter Photovoltaikzellen sonst als Abwärme verschwendete Wärmestrahlung in sinnvoll nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Dadurch, dass die Photovoltaikzelle auf der Innenoberfläche eines Trägerelements angeordnet ist, das der Wärmestrahlung einer im Betrieb aufheizbaren Komponente der Wärmekraftmaschine ausgesetzt ist, ist die Photovoltaikzelle betriebssicher gehaltert und kann die auftreffende Wärmestrahlung optimal in elektrische Energie umwandeln. Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung für die Energiewandlung die Komponente ein Bestandteil des Abgasstrangs des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Abgasrohr, das bei Betrieb des Kraftfahrzeugs stark aufgeheizt wird. Vorteilhaft ist auch die Anordnung der Einrichtung in der Nachbarschaft der Auslasskrümmer oder des Katalysators.
Eine besonders einfache Montagemöglichkeit ergibt sich bei einer Einrichtung für die Energiewandlung, wenn das Trägerelement aus zwei im Wesentlichen trogförmig ausgebildeten Trägerelementteilen besteht, die eine im Zentrum angeordnete Komponente des Abgasstrangs wenigstens auf einem Teil ihrer Länge umschließen. Durch die geteilte Ausführung des Trägerelements kann die Einrichtung trotz beengtem Bauraum auch noch nachträglich an dem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs montiert werden.
Eine besonders gut an die meist als Rohr ausgebildeten Komponenten des Abgasstrangs angepasste Ausführungsform ergibt sich bei einer Einrichtung für die Energiewandlung, bei der das Trägerelement aus zwei Halbschalen besteht, die in zusammengesetzten Zustand im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet sind und eine Komponente des Abgasstrangs konzentrisch umgeben.
Bei parallel verlaufenden Abgasrohren ist eine Einrichtung empfehlenswert, bei der das Trägerelement einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweist, und bei der das Trägerelement die in den Brennpunkten der Ellipse angeordneten Komponenten des Abgasstrangs umschließt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst die Einrichtung für die Energiewandlung ein Trägerelement mit Kühlrippen. Dadurch lässt sich eine Überhitzung der auf dem Trägerelement angeordneten Photovoltaikzelle vermeiden.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Einrichtung für die Energiewandlung können die Kühlrippen vorteilhaft noch mit einem Kühlkreislauf, insbesondere dem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs selbst, verbunden sein. Dadurch lässt sich eine weiter verbesserte Kühlwirkung erreichen.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit dem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Für eine frequenzselektive Bestrahlung der der Photovoltaikzelle kann in dem Strahlengang zwischen dem Wärmestrahlung abgebenden Element und der Photovoltaikzelle vorteilhaft ein Element mit Filterwirkung angeordnet sein. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:
1 in einem Blockschaltbild den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung für die Energiewandlung;
2 ein Ausführungsbeispiel einer für die Einrichtung geeigneten Photovoltaikzelle;
3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und dessen Anordnung an dem Abgasstrang eines Fahrzeugs;
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung und dessen Anordnung an dem Abgasstrang eines Fahrzeugs;
5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung und dessen Anordnung an dem Abgasstrang eines Fahrzeugs;
6 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem elliptischen Trägerelement.
Das in 1 dargestellte Blockschaltbild verdeutlicht den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung für die Energiewandlung, die beispielsweise die in dem Bereich des Abgasstrangs eines Fahrzeugs entstehende Verlustwärme in elektrische Energie umwandelt. Mit Bezugsziffer 1 ist eine im Querschnitt dargestellte Komponente des Abgasstrangs bezeichnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Abgaskrümmer, ein Abgasrohr, einen Katalysator oder einen Schalldämpfer handeln. Beim Betrieb des Fahrzeugs wird diese Komponente 1 stark erhitzt und strahlt demzufolge Wärme an die Umgebung ab. Die Wärmestrahlung ist durch die mit Bezugsziffer 2 gekennzeichneten Pfeile angedeutet. Die Wärmestrahlung trifft auf eine in der Nähe der Komponente 1 angeordnete Photovoltaikzelle 3 auf und wird von dieser in elektrischen Strom 4 umgewandelt. Besonders vorteilhaft wird das Material der Photovoltaikzelle 3 dabei derart auf die Wärmestrahlung abgestimmt, dass sich ein möglichst großer Wirkungsgrad bei der Energiewandlung ergibt. Als besonders geeignet erweisen sich dabei Substanzen mit vergleichsweise niedrigem Bandabstand, wie insbesondere Gallium-Antimonid und Indium-Gallium-Arsenid. Bei geringerem Wirkungsgrad ist auch der Einsatz einer auf Siliziumtechnik basierenden Photovoltaikzelle denkbar. Der von der Photovoltaikzelle 3 bereitgestellte Strom 4 wird einem Spannungswandler 5 zugeführt, der eine mit dem Bordnetz kompatible Ausgangsspannung 6 von beispielsweise 14 V erzeugt. Die Ausgangsspannung 6 wird einer Speichereinrichtung, insbesondere einer herkömmlichen Batterie 7 zugeführt.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer für die Einrichtung geeigneten Photovoltaikzelle 3. Die strahlungsempfindliche Schicht 3a ist auf einem Trägerelement 25 angeordnet. Zwecks besserer Wärmeableitung kann das Trägerelement 25 dabei vorteilhaft zusätzlich noch mit einer Wärmesenke, insbesondere in Gestalt von Kühlrippen 27, versehen sein. Auf diese Weise ergibt sich eine robuste Einrichtung, die dauerfest gegen Schwingungsbeanspruchung ist und auch hohen thermischen Belastungen standhält. In einer alternativen Ausführungsform der Einrichtung kann im Strahlungsgang zwischen der Komponente 1 des Abgasstrangs und der strahlungsempfindlichen Schicht 3a zusätzlich noch ein Element 24 angeordnet sein, das die Photovoltaikzelle 3 vor einer übermäßigen thermischen Belastung schützt. Bei diesem Element 24 kann es sich vorteilhaft um ein selektives Filter handeln, das nur bestimmte Teilbereiche des Spektrums der von der Komponente 1 emittierten Strahlung passieren lässt. Das in 2 getrennt von der Photovoltaikzelle 3 angeordnete Element 24 kann vorteilhaft auch einstückig mit der Photovoltaikzelle 3 verbunden sein, was die Montage der Einrichtung erleichtert. Vorteilhaft kann das Element 24 auch in Form einer Schicht auf der Außenoberfläche der strahlungsempfindlichen Schicht 3a angeordnet sein. Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung können die Kühlrippen 27 vorteilhaft auch noch mit einem Kühlkreislauf 28 verbunden sein, in dem ein Fluid überschüssige Wärme von der Photovoltaikzelle 3 abführt. Beispielsweise kann es sich hier auch um den Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs handeln.
Im Folgenden werden, unter Bezug auf 3, 4 und 5, weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Einrichtung erläutert. Die in 3 in einem Querschnitt dargestellte Einrichtung 30 umfasst zwei u-förmig ausgebildete Trägerelemente 25a, 25b, die entlang einer Trennfläche A–A1 zusammengefügt und beispielsweise durch Schraubverbindungen in den Bereichen 31a, 31b miteinander verbunden sind. Die Trägerelemente 25a, 25b umschließen eine zentrisch angeordnete Komponente 1 des Abgasstrangs der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs. Beispielsweise kann es sich bei der Komponente 1 um ein Abgasrohr des Abgasstrangs handeln. Auf den der Komponente 1 zugewandten Innenoberflächen der Trägerelemente 25a, 25b sind Photovoltaikzellen 33a, 33b, 33c, 33d, 33e, 33f angeordnet, die so der Wärmestrahlung (Pfeil 2) der Komponente 1 ausgesetzt sind und diese in elektrische Energie umwandeln.
Bei der in 4 ebenfalls in einem Querschnitt dargestellten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Einrichtung 40 umgeben zwei zu einem rohrartigen Gebilde zusammengefügte Trägerelemente 25a, 25b konzentrisch ein Element 1 des Abgasstrangs. Die Trägerelemente 25a, 25b sind als Halbschalen ausgebildet und im Bereich von radial nach außen vorspringenden flanschartigen Fortsätzen miteinander verbunden. Die Verbindung kann vorteilhaft durch im Bereich 31a, 31b eingebrachte Schraubverbindungen erfolgen. Die geteilte Ausführung der Trägerelemente erleichtert ihre Montage im Bereich des Abgasstrangs des Fahrzeugs. Auf der dem Element 1 zugewandten Innenoberfläche der Trägerelemente 25a, 25b sind wiederum Photovoltaikzellen 33a, 33b angeordnet.
5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Einrichtung, bei der die Photovoltaikzelle 3a als Folie ausgeführt ist, die auf der Innenoberfläche eines rohrförmig ausgebildeten Trägerelements 25 angeordnet ist.
Um optimal an die Gestalt des Abgasstrangs angepasst zu sein, können das Trägerelement 25 und die darauf angeordnete Photovoltaikzelle 3a auch eine andere günstige Form annehmen. So zeigt beispielsweise 6 im Querschnitt eine Einrichtung 60, bei der der Querschnitt des die Photovoltaikzelle 3a tragenden Trägerelements 25 elliptisch ausgebildet ist. Das Trägerelement 25 umschließt zwei Elemente 1a, 1b des Abgasstrangs, die die Brennpunkte der Ellipse durchstoßen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Thomas Schlegl ”GaSb-Photovoltaikzellen für die Thermophotovoltaik”, Regensburg 2005 [0003]

Claims

Einrichtung für die Energiewandlung mit einer Wärmestrahlung in elektrische Energie umwandelnden Photovoltaikzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikzelle (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) auf der Innenoberfläche eines Trägerelements (25, 25a, 25b) angeordnet ist, das der Wärmestrahlung einer im Betrieb aufheizbaren Komponente (1, 1a, 1b) einer Wärmekraftmaschine ausgesetzt ist.
Einrichtung für die Energiewandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (1, 1a, 1b) Bestandteil des Abgasstrangs des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs ist.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (25, 25a, 25b) aus zwei im Wesentlichen trogförmig ausgebildeten Trägerelementteilen (25a, 25b) besteht, die eine im Zentrum angeordnete Komponente (1) wenigstens auf einem Teil ihrer Länge umschließen.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (25) aus zwei Halbschalen (25a, 25b) besteht, die in zusammengesetzten Zustand im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet sind und eine Komponente (1) des Abgasstrangs konzentrisch umgeben.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (25) einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweist, und dass das Trägerelement (25) in den Brennpunkten der Ellipse angeordnete Komponenten (1a, 1b) umschließt.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (25) Kühlrippen (27) trägt.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit einem Kühlkreislauf (28) verbunden sind.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit dem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang zwischen dem Wärmestrahlung abgebenden Element (1, 1a, 1b) ein Element (24) mit Filterwirkung angeordnet ist.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (24) einteilig mit der Photovoltaikzelle (3) verbunden ist.
Einrichtung für die Energiewandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikzelle (3) mit der Batterie (7) eines Bordnetzes verbunden ist.