DE102009005382B3

DE102009005382B3 - Modular aufgebauter Thermogenerator

Info

Publication number: DE102009005382B3
Application number: DE102009005382A
Authority: DE
Inventors: Martin Kronstedt
Original assignee: D & K Solar GmbH
Current assignee: D & K Solar GmbH
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2029-01-22

Abstract

Bei bisher aus Peltier-Elementen aufgebauten Thermogeneratoren ist das Trägermaterial beispielsweise aus Kunststoff, Blech-Sammelkästen oder Kupfer-Rohrleitungen. Hierbei ist das Problem, dass die Peltier-Elemente nicht vor Zerbersten geschützt sind, da das Warm-Medium sich ausdehnt und den Träger verzieht. Grundgedanke ist es, einen Träger für die Peltier-Elemente zu schaffen, der diese vor Beschädigung und Kontakt zum Medium schützt und ein Wärmeleiter-Material einzusetzen, das die Leistung optimal ausnutzt. Außerdem muss die Beständigkeit bei hohen Drücken und hohen Temperaturen gewährleistet sein. Der Thermogenerator besteht im Wesentlichen auf 5 Bauteilen. Die Peltier-Elemente (1) wandeln thermische Energie in elektrische Energie um. An der Warmseite (2) sollen möglichst hohe Temperaturen und an der Kaltseite (3) möglichst niedrige Temperaturen zugeführt werden. Die Neuentwicklung ist die aus Aluminium bestehende Wärmetauscher-Platte (4), welche sich durch ihre Kanäle (5) auszeichnet. Durch diese wird in sich jeweils abwechselnden Platten Warm-Medium bzw. Kalt-Medium geleitet. Dieser Thermogenerator wurde speziell entwickelt, um ihn in einen thermischen Solaranlagen-Kreislauf mit Speicherbehälter zwischenzuschalten und die hohe Abwärme auszunutzen und so kostengünstigen Strom zur Eigennutzung zu produzieren.

Description

Es ist bekannt, dass ein Thermogenerator thermische Energie in elektrische Energie unter Einsatz von handelsüblichen Peltier-Elementen umwandelt.
Der Wirkungsweise dieser Peltier-Elemente liegt der Seebeck-Effekt zugrunde. Um eine optimale Leistung der Peltier-Elemente zu erzielen, ist es notwendig ihnen an der sogenannten Warmseite möglichst hohe Temperaturen zuzuführen und an der sogenannten Kaltseite möglichst niedrige Temperaturen zuzuführen.
Erst wenn die Temperaturdifferenz (in Kelvin/K) zwischen Warm- und Kaltseite genügend groß ist, wird eine elektische Spannung am Ausgang der Peltier-Elemente messbar.
Voraussetzung für einen kostengünstigen Thermogenerator in der folgend beschriebenen Bauweise ist die Nutzung von hohen Temperaturen in Form von Wärme aus einer Heizung (kann Öl-Heizung, Gasheizung oder Holzofen sein) bzw. eine Zweigleitung einer thermischen Solaranlage, welche Sonnenstrahlung in Heizwärme umwandelt. Die Kaltseite wird über die Heizungsrücklauf-Leitung oder eine andere Kaltwasserzuführung (z. B. Kühlturm, Schwimmbecken, Bachlauf ...) gekühlt.
Entscheidend für die effektive Energieumwandlung dieses Thermogenerators ist die Bauart, welche modular und aus wenigen Bauteilen aufgebaut ist.
Desweiteren ist er für viele Medien (Rauchgas, heiße Flüssigkeiten, sowohl Wasser, als auch organische Flüssigkeiten oder Glykol) einsetzbar.
Dem Patentanspruch liegt das Problem zugrunde, einen geeigneten Träger für die optimale Ausnutzung der Peltier-Elemente zu finden. Außerdem soll der Träger von verschiedenartigen Medien durchströmt werden können und zudem muß er extrem starke Temperaturdifferenzen (bis zu 250 Kelvin) aushalten.
Ein weiteres bekanntes Problem ist die optimale Platzierung der Peltier-Elemente und deren Überströmung an der Warm- und Kaltseite.
Die Peltier-Elemente bestehen aus einem relativ empfindlichen Keramikgehäuse, welche durch zu große oder ungleichmäßige Druckbelastung zerbersten.
Bis jetzt gibt es keinen Thermogenerator der eine große Anzahl von Peltier-Elementen (200 bis 1000 Stk.) enthält und mit diesen reproduzierbar elektrische Leistung erzeugt.
Der in der Patentschrift DE 19715989 C1 beschriebene Thermogenerator ist in erster Linie für die Stromgewinnung aus einem Heizgerät vom Verbrennungstyp einsetzbar. D. h. der sogenannte Rauchgas-Sammelkasten, in welchen das Warm-Medium eingeleitet wird ist von seiner Bauart her nicht einfach in modulbauweise erweiterbar. Außerdem ist der Rauchgas-Sammelkasten nicht für andere, beispielsweise flüssige Medien gedacht. Die Bauweise des Sammelkasten ist sehr komplex und nicht wie in der Wärmetauscher-Platten-Bauart durch Einsatz von wenigen handelsüblichen Materialien nachzubauen. Man benötigt spezielle Formen und Werkzeuge um den Sammelkasten zu gießen. Somit sind die Bauarten der Thermogeneratoren nicht vergleichbar, bzw. für unterschiedliche Anforderungen entwickelt worden.
Der in der Offenlegungsschrift DE 10 2005 009 480 A1 beschriebene Thermogenerator wird bei Fahrzeugen mit einem wassergekühlten Motor eingesetzt. Er unterscheidet sich von unserem modular aufgebauten Thermogenerator neben seiner Bauart auch dahingehend, als dass dieser sich in einem Vakuumbehälter befindet.
Die beschriebene Stapel-Bauart ist für eine kleine Menge an Peltier-Elementen gedacht. Das Fehlen einer isolierenden und polsternden Schicht zwischen den Wärmequellenteilen könnte eine Stapelung einer größeren Menge an Peltier-Elementen nebeneinander und übereinander erschweren, da die innere Stabilität und damit die Nichtbeschädigung der Peltier-Elemente nicht gewährleistet ist.
Die Verwendung eines Vakuumbehälters, um den Thermogenerator herum, führt zu einer wesentlich aufwendigeren Bauart. Außerdem wird damit eine einfache modulare Erweiterung des Thermogenerators und damit verbunden eine Leistungsvergrößerung beschränkt.
In obiger Offenlegungsschrift wird keine Aussage über das verwendete Material der „wärmeseitigen Wärmequellenteile” und „kühlseitiger Wärmequellenteile” gemacht, so dass man hier keine Aussage über die Vielseitigkeit der zu nutzenden wärme- und kälteführenden Medien (z. B. Rauchgas, Wasser oder Glykol) treffen kann.
Anders, als in unserem Thermogenerator werden heißes Wasser und gekühltes Wasser in gleicher Fließrichtung in die „Wärmequellenteile” von oben nach unten eingeströmt. Der Vorteil einer Bauart, die ein Entgegenströmen des Kaltmedium und des Warmmediums zulassen, ist die erzielte höhere Temperatur-Differenz, die an den einzelnen Peltier-Elementen anliegt.
Der Verzicht auf einen Vakuumbehälter vereinfacht den Aufbau des Thermogenerators.
Der in der Patentschrift GB 2 347 736 A beschriebene Thermogenerator besteht aus einer Vielzahl einzelner Bauteile und ist sehr komplex aufgebaut. Zur Anfertigung der einzelnen Bauteile werden entsprechend viele Werkzeuge zur Herstellung benötigt. Der Thermogenerator wird mit Klemmen (Clips) fixiert.
Außerdem geht aus der Patentschrift nicht hervor, ob eine modulare Erweiterung des Thermogenerators angestrebt ist.
Die Patentschriften GB 2 322 732 A und EP 0214 109 A2 beschreiben jeweils Thermogeneratoren, bei denen Röhrchen mit heißem bzw. kaltem Fluid durchströmt werden. Ein einfacher modularer Aufbau ist hier jedoch nicht erkennbar.
Der in der Patentschrift US 2008/0060695 A1 beschriebene Thermogenerator besteht im wesentlichen aus einer Art Schwamm, einem porösen Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit entweder Kupfer, Aluminium, Silikon Carbid oder ähnliches. Auf den genauen Aufbau wird hier nicht eingegangen.
Die Patentschrift EP 1 965 446 A1 basiert auf einem Thermogenerator aus Glas-Keramik. Hier werden die besonderen Eigenschaften des Werkstoffes herausgehoben. Die Bauart des Thermogenerators ist eher zweitrangig.
Unser Thermogenerator wurde auch in Hinblick auf folgende Punkte entwickelt.
Die Peltier-Elemente sollten nicht in den direkten Kontakt mit Flüssigkeiten kommen.
Die Modul-Platten sollen einfach ein- und ausbaubar sein, um die Gesamtleistung des Generators variabel zu gestalten, sprich je mehr Peltier-Elemente in einem Generator zum Einsatz kommen, desto mehr Leistung wird erzeugt.
Der gesamte Thermogenerator muß formbeständig bleiben und darf sich nicht durch Erwärmung verziehen, was eine Beschädigung der Elemente zur Folge hätte.
Der gesamte Thermogenerator soll verschleißfrei sein, was sich durch die Auswahl der einzelnen Bestandteile niederschlägt.
Bisher verwendete Materialien waren beispielsweise Kunststoffe oder Kupferrohre, die jedoch den hohen Temperaturen nicht standhalten bzw. sich mit der Zeit verziehen oder ausdehnen.
Diese Probleme werden durch die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale gelöst:
Die, mit dem, aus Aluminium-Wärmetauscher-Platten bestehenden Thermogenerator erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin:

1. Der Thermogenerator besteht aus wenig unterschiedlichen Bauteilen, daraus ergibt sich ein einfacher Zusammenbau. Außerdem bestehen die einzelnen Bauteile aus handelsüblichen Materialien, sprich Aluminium-Platten und Hülsen.
2. Die Peltier-Elemente sind fest eingebaut und können nicht verrutschen.
3. Die Peltier-Elemente sind leicht austauschbar.
4. Die Peltier-Elemente kommen nicht mit den Warm- und Kaltmedien in direkten Kontakt.
5. Die verwendeten Wärmetauscher-Platten aus Aluminium zeichnen sich als extrem temperatur- und druckbeständig und formstabil aus. Außerdem ist Aluminium ein sehr guter Wärmeleiter.
6. Die verwendeten Wärmetauscher-Platten sind mit unterschiedlichen Medien, wie beispielsweise Rauchgas, Wasser oder anderen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Glykol zu benutzen.

Die einzelnen Bestandteile des Thermogenerators sind:

• Peltier-Elemente (Anzahl variabel) (Zeichn. Nr. 5, 1)
• äußere Druckplatte aus Aluminium (2 Stk.) (Zeichn. Nr. 2 und Zeichn. 5, 9)
• innere Wärmetauscher-Platten aus Aluminium (Anzahl variabel, mind. 2 Stk.) (Zeichn. Nr. 1 und Zeichn. 5, 4)
• Verbindungshülsen mit entsprechenden Dichtungen (O-Ringe oder flachdichtend oder andere Materialien) (Anzahl variabel) (Zeichn. Nr. 3 und Zeichn. 5, 7)
• Stopfen mit entsprechenden Dichtungen (O-Ringe oder flachdichtend oder andere Materialien) (2 Stk.) (Zeichn. Nr. 4 und Zeichn. 5, 10)
• 4 Anschlußstutzen für die Zu- und Ableitung des entsprechenden Warm- und Kalt-Mediums
• Moosgummi-Matten als Abstandhalter und Isolierung zwischen den Peltier-Elementen (Anzahl variabel). (Zeichn. Nr. 5, 8)

Der Aufbau des beschriebenen Thermogenerators ist folgender:
Im folgenden wird beispielhaft ein Thermogenerator beschrieben, der aus 4 inneren Wärmetauscher-Platten und 48 Peltier-Elementen (3 Reihen × 16 Stk.) aufgebaut ist.
Als Begrenzung des Thermogenerators dienen die 2 äußeren Aluminium-Druckplatten (Zeichn. 5, 9).
Im folgenden wird die linke Seite des Generators als die Warmseite und die rechte Seite als die Kaltseite bezeichnet.
Die äußeren Druckplatten sind durch 17 M6-Gewindestangen (Zeichn. 5, 11) miteinander verbunden und mit entsprechenden M6-er Muttern (Zeichn. 5, 12) mit Unterlegscheiben an rechter und linker Außenseite der Platten verschraubt.
Der innere Teil des Generators ist in modulbauweise aufgebaut und ist somit beliebig erweiterbar.
Der rechten Außenplatte folgt direkt aufliegend eine Warm-Medium führende Wärmetauscherplatte (Zeichn. 5, 4.1).
Darauf sind 2 Reihen zu je 8 Peltier-Elemente (Zeichn. 5, 1) angeordnet (16 Stk.).
Diese Peltier-Elemente sind mit einem dünnen Film Wärmeleitpaste beschichtet, um die optimale Wärmeübertragung zwischen Wärmetauscher-Platte und Peltier-Element zu gewährleisten.
Die einzelnen Peltier-Elemente sind 4 mm voneinander getrennt, hier werden Moosgummi-Streifen (Zeichn. 5, 8) eingesetzt. Diese garantieren einen festen Halt und konstante Abstände zwischen den Elementen.
Der Peltier-Element-Schicht folgt eine Kalt-Medium führende Wärmetauscher-Platte (Zeichn. 5, 4.2). Es folgt wieder eine Peltier-Element-Schicht.
Dann wird die Anordnung beginnend mit einer Wärmetauscher-Platte wiederholt.
Aufbau einer Wärmetauscher-Platte, welcher für Warm-Medium, als auch für Kalt-Medium gleich ist:
Die Abmaße der Platten und Bohrungen sind hier nur beispielhaft gewählt und können je nach Anforderung auch vergrößert oder verkleinert werden.
Eine Wärmetauscher-Platte (Zeichn. 1) bestehen aus einer 11 mm starken Aluminium-Platte mit den Abmaßen von 500 mm × 100 mm.
Die Platte ist in ihrer Längsrichtung von 8 runden Kanälen (Zeichn. 1, 1) mit einem Durchmesser von je 6,8 mm durchbohrt. In Querrichtung sind 2 Bohrungen (Zeichn. 1, 2), um die Längsrichtung-Kanäle miteinander zu verbinden.
Die Warm-Medium führenden Wärmetauscher-Platten werden von rechts oben nach links unten mit Medium durchströmt. Die Kalt-Medium führenden Wärmetauscher-Platten werden von links unten nach rechts oben mit Medium durchströmt.
Somit erreicht man einen hohen Durchfluß durch eine Platten und eine gleichmäßige Temperaturverteilung, was eine effektive Ausnutzung der Wärmeenergie-Übertragung gewährleistet.
Die Kanäle sind an ihren Enden, z. B. durch eingesetzte Gewindestifte (Zeichn. Nr. 1, 3) wieder verschlossen, sodass das Medium lediglich innerhalb der Platte zirkuliert.
Das jeweilige Warm- bzw. Kalt-Medium gelangt über eine große Bohrung (28 mm) (Zeichn. 1, 4) in die Kanäle der Wärmetauscher-Platte. Durch eine entsprechende Bohrung am gegenüberliegenden Ende der Wärmetauscher-Platte kann das Medium wieder austreten.
In die Bohrungen sind entsprechende Verbindungshülsen (Zeichn. Nr. 3 und Zeichn. 1, 7) eingelassen. Diese dienen gleichzeitig auch als Abstandhalter zwischen den einzelnen Warm-Medium-führenden Platten bzw. zwischen den einzelnen Kalt-Medium-führenden Platten.
An den jeweiligen äußeren Druck-Platten sind Gewindebohrungen eingelassen, an welchen die Zu- und Ableitungen für das Warm-Medium bzw. das Kalt- Medium angeschraubt werden. Diese Leitungen sind, wie schon vorher geschildert, Zweigleitungen von einer Öl-Heizung oder einer thermischen Solaranlage oder anderen Wärmequellen.
Die einzelnen Peltier-Elemente werden an ihren + und – Anschlußkabeln (Zeichn. 1, 6) untereinander verbunden.

1: Peltier-Elemente
2: Warmseite eines-Peltier-Elements
3: Kaltseite eines Peltier-Elements
4: Wärmetauscher-Platte
4.1: Warm-Medium führende Wärmetauscher-Platte
4.2: Kalt-Medium führende Wärmetauscher-Platte
5: innere Kanäle durch die Wärmetauscher-Platte
6: + und – Anschlußkabel
7: Verbindungshülsen
8: Moosgummimatten
9: äußere Druckplatten
10: Stopfen
11: M6-er Gewindestangen
12: M6-er Muttern

Claims

Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generatormoduls, umfassend die Schritte: 1. Zuschneiden von mindestens vier Aluminium-Platten (4) so, dass diese jeweils in Längsrichtung versetzt überstehende Enden aufweisen 2. Durchbohren jeder der Aluminium-Platten (4) in Längsrichtung mit runden Kanälen 3. Setzen von zwei Bohrungen in Querrichtung bei jeder der Aluminium-Platten (4), um die Längsrichtungskanäle miteinander zu verbinden 4. Verschließen aller Kanäle an ihren Enden 5. Setzen von je einer großen Bohrung in jedem überstehenden Ende senkrecht zur Platten-Oberseite jeder der Aluminium-Platten (4) 6. Durchbohren von zwei weiteren Aluminium-Platten jeweils an großen Bohrungen korrespondierenden Stellen zur Herstellung einer ersten und zweiten äußeren Druckplatte (9) 7. Anordnen einer der mindestens vier Aluminium-Platten (4) auf der ersten äußeren Druckplatte (9) so, dass die großen Bohrungen und die Bohrungen in der ersten äußeren Druckplatte (9) miteinander fluchten 8. Anordnen je eines Stopfens (10) neben den überstehenden Enden der ersten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) 9. Einlassen von je einer Verbindungshülse (7) in je eine der großen Bohrungen der ersten der mindestens vier Alumium-Platten (4) und Anordnen einer Vielzahl von Peltier-Elementen (1) auf der ersten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) und Anordnen der zweiten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) auf den Peltier-Elementen (1) so, dass die überstehenden versetzten Enden der zweiten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) neben den eingelassenen Verbindungshülsen (7) liegen und so, dass die Stopfen (10) die großen Bohrungen der zweiten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) einseitig verschließen 10. Einlassen von Verbindungshülsen (7) in die großen Bohrungen der zweiten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) und Anordnen einer Vielzahl von Peltier-Elementen (1) auf der zweiten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) und Anordnen einer dritten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) auf den Peltier-Elementen (1) so, dass die überstehenden versetzten Enden neben den gerade eingelassenen Verbindungshülsen (7) liegen und so, dass die im letzten Schritt eingelassenen Verbindungshülsen (7) mit ihrem anderen Ende in die großen Bohrungen der dritten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) eingelassen sind 11. Einseitiges Verschließen jeder großen Bohrung der dritten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) durch je einen Stopfen (10) und Anordnen einer Vielzahl von Peltier-Elementen (1) auf der dritten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) 12. Anordnen der vierten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) auf den Peltier-Elementen (1) so, dass die überstehenden versetzten Enden der vierten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) neben den zuletzt eingelassenen Stopfen (10) liegen und so, dass die im vorvorletzten Schritt eingelassenen Verbindungshülsen (7) mit ihrem anderen Ende in die großen Bohrungen der vierten der mindestens vier Aluminium-Platten (4) eingelassen sind 13. Anordnen der zweiten äußeren Druckplatte (9) so, dass die großen Bohrungen der mindestens vier Aluminium-Platten (4) und die Bohrungen der der zweiten äußeren Druckplatte (9) miteinander fluchten.
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generatormoduls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt 10a: 10a. Einlassen von Verbindungshülsen (7) in die großen Bohrungen der Aluminium-Platte (4) des vorherigen Schritts und Anordnen einer Vielzahl von Peltier-Elementen (1) auf der Aluminium-Platte (4) des vorherigen Schritts und Anordnen einer weiteren Aluminium-Platte (4) auf den Peltier-Elementen (1) so, dass die überstehenden versetzten Enden dieser weiteren Aluminium-Platte (4) neben den gerade eingelassenen Verbindungshülsen (7) liegen und so, dass die in vorherigen Schritt eingelassenen Verbindungshülsen (7) mit ihrem anderen Ende in die großen Bohrungen der weiteren Aluminium-Platte (4) eingelassen sind, zweimal zwischen den Schritten 10 und 11 durchlaufen wird, wobei die Anzahl der Aluminium-Platten und Schritte entsprechend hochgezählt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Thermoelektrischen Generatormoduls nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle an ihren Enden durch Gewindestifte verschlossen werden.
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generatormoduls nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Moosgummi-Streifen (8) zwischen die einzelnen Peltier-Elemente (1) eingesetzt werden, um einen festen Halt und konstante Abstände zwischen den Peltier-Elementen (1) zu garantieren.
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generatormoduls nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (1) mit einem dünnen Film Wärmeleitpaste beschichtet werden.
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generatormoduls nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Druckplatten (9) durch M6-Gewindestangen miteinander verbunden und mit entsprechenden M6-er Muttern mit Unterlagscheiben an der rechten und linken Außenseite der äußeren Druckplatten (9) verschraubt werden.
Thermoelektrisches Generatormodul hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Thermoelektrisches Generatormodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das die Verbindungshülsen (7) als Abstandhalter fungieren.
Verwendung eines thermoelektrischen Generatormoduls nach Anspruch 7 oder 8 in einem Heizkreislauf einer Heizungsanlage oder in einem thermischen Solaranlagen-Kreislauf mit Warmwasser-Speicherbehälter.