DE102009038925A1

DE102009038925A1 - Device for producing electricity for autonomous radio sensor in radio sensor network of e.g. aircraft, has thermal energy storage including recording device for recording thermal volume change of fluid

Info

Publication number: DE102009038925A1
Application number: DE102009038925A
Authority: DE
Inventors: Thomas Becker; Martin Kluge; Josef Schalk; Dominik Samson; Ulrich Schmid
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: DE102009038925B4

Abstract

The device (1) has a thermoelectric generator producing electricity when a temperature gradient closely lies between two exterior surfaces. One of the exterior surfaces evenly lies at a thermal contact surface (10) of thermal energy storage (2) such that a thermal connection is formed between the exterior surfaces. The energy storage has a recording device (14) recording a thermal volume change of fluid, and is formed from a flexible material or as rubber ball. A distance adjusting unit (9) adjusts a distance between the exterior surface and the contact surface. An independent claim is also included for a method for production of energy.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie.The present invention relates to an apparatus and method for generating electrical energy.

Thermoelektrische Generatoren erzeugen elektrische Energie aus einem Temperaturgradienten unter Ausnutzung des Seebeckeffekts. Beim Seebeckeffekt entsteht zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, eine elektrische Spannung.Thermoelectric generators generate electrical energy from a temperature gradient utilizing the Seebeck effect. When Seebeckeffekt arises between two points of an electrical conductor, which have different temperatures, an electrical voltage.

Energy Harvesting bezeichnet die Erzeugung von Energie aus gegebenen Umgebungsbedingungen unter Ausnutzung physikalischer Effekte, beispielsweise Solarzelle aus Umgebungssonnenlicht.Energy harvesting refers to the generation of energy from given environmental conditions by utilizing physical effects, such as solar cells from ambient sunlight.

Beispielsweise ist aus der Offenlegungsschrift GB 2 441 851 ein System mit einem thermoelektrischen Generator bekannt, welcher den Temperaturgradienten ausnutzt, der zwischen einer Außenwand und einer Innenwand eines doppelwandigen Flugzeugrumpfes anliegt. Allerdings ist der Wirkungsgrad dieses Systems nicht sehr hoch, da der Temperaturgradient zwischen der Außenwand und der Innenwand üblicherweise nicht sehr groß ist. Des Weiteren müssen thermische Kontakte zwischen dem Generator und der Innenwand bzw. der Außenwand hergestellt werden, was aufgrund der vorgegebenen Flugzeugstruktur sehr aufwendig ist. Auch ist das Leistungsgewicht des Systems sehr niedrig.For example, from the published patent application GB 2 441 851 a system with a thermoelectric generator is known, which exploits the temperature gradient, which rests between an outer wall and an inner wall of a double-walled fuselage. However, the efficiency of this system is not very high, since the temperature gradient between the outer wall and the inner wall is usually not very large. Furthermore, thermal contacts between the generator and the inner wall or the outer wall must be made, which is very expensive due to the given aircraft structure. Also, the power of the system is very low.

Aus der Patentschrift US 6,914,343 ist weiterhin ein System zum Erzeugen von elektrischer Energie bekannt. Das System umfasst einen Behälter mit einer Wasser-Ammoniak-Lösung. Auf einer Behälteraußenfläche liegt ein thermoelektrischer Generator mit einer ersten Außenfläche flächig an. Eine der ersten Außenfläche gegenüberliegende zweite Außenfläche des thermoelektrischen Generators hat mittels eines Wärmeleitelementes thermischen Kontakt zur Umwelt, hier die Marsatmosphäre. Während einer kalten Marsnacht gefriert die Wasser-Ammoniak-Lösung. Während des darauffolgenden heißen Marstags liegt nun ein Temperaturgradient zwischen der ersten und der zweiten Außenfläche des thermoelektrischen Generators an, wodurch dieser solange elektrische Energie erzeugt, bis die gefrorene Wasser-Ammoniak-Lösung wieder geschmolzen ist. Während der nun folgenden Marsnacht liegt wiederum ein Temperaturgradient zwischen der ersten und der zweiten Außenfläche des thermoelektrischen Generators an, wodurch dieser solange elektrische Energie erzeugt, bis die Wasser-Ammoniak-Lösung gefroren ist. Nachteilig hierbei ist aber, dass der Behälter aufgrund der thermischen Ausdehnung von Wasser, wenn der Phasenübergang von flüssig zu fest erfolgt, strukturellen Schaden nehmen kann. Außerdem handelt es sich bei der beschriebenen Lösung um eine relativ groß bauende Vorrichtung, bei der sich durch Lageänderung der Wasser-Ammoniak-Lösung auch eine deutliche Änderung der Schwerpunktslage ergibt. Ferner ist der Ladezyklus vom Tag/Nacht-Rhythmus abhängig, das heißt von vorhandener Sonneneinstrahlung oder dem Fehlen derselben.From the patent US 6,914,343 Furthermore, a system for generating electrical energy is known. The system includes a container with a water-ammonia solution. On a container outer surface is a thermoelectric generator with a first outer surface flat. One of the first outer surface opposite the second outer surface of the thermoelectric generator has thermal contact with the environment by means of a heat conducting element, here the Martian atmosphere. During a cold Martian night, the water-ammonia solution freezes. During the subsequent hot day, a temperature gradient now exists between the first and the second outer surface of the thermoelectric generator, whereby it generates electrical energy until the frozen water-ammonia solution has melted again. During the following night of Mars, again, a temperature gradient is applied between the first and the second outer surface of the thermoelectric generator, whereby this generates electrical energy until the water-ammonia solution is frozen. The disadvantage here is that the container due to the thermal expansion of water, when the phase transition from liquid to solid, can take structural damage. In addition, the solution described is a relatively large-scale device, which results in a significant change in the center of gravity position by changing the position of the water-ammonia solution. Furthermore, the charging cycle is dependent on the day / night rhythm, that is, on existing solar radiation or the absence thereof.

Aus der Patentschrift US 6,624,349 ist ein System bekannt, welches einen thermisch isolierten Behälter aufweist, in welchem ein weiterer Behälter mit Natriumnitrit angeordnet ist. Das Natriumnitrit ist mit einer ersten Außenfläche eines thermischen Generators thermisch verbunden. Um den weiteren Behälter ist ein Heizdraht gewickelt. Wenn nun ein elektrischer Strom durch den Heizdraht fließt, so erwärmt sich der Heizdraht und damit auch der weitere Behälter sowie das Natriumnitrit. Wenn dieses nun geschmolzen ist, wird der elektrische Strom abgeschaltet. Aufgrund des vorhandenen Temperaturgradienten zwischen der ersten Außenfläche und einer der ersten Außenfläche gegenüberliegenden zweiten Außenfläche des thermoelektrischen Generators erzeugt dieser eine elektrische Energie, solange bis das Natriumnitrit abgekühlt und wieder fest geworden ist. Ähnlich wie bei dem System aus der US 6,914,343 kann der weitere Behälter aufgrund einer thermischen Ausdehnung des Natriumnitrits strukturellen Schaden nehmen.From the patent US 6,624,349 For example, a system is known which comprises a thermally insulated container in which another container with sodium nitrite is arranged. The sodium nitrite is thermally bonded to a first outer surface of a thermal generator. To the other container, a heating wire is wound. Now, if an electric current flows through the heating wire, so does the heating wire and thus also the other container and the sodium nitrite heated. If this is now melted, the electric current is turned off. Due to the existing temperature gradient between the first outer surface and a second outer surface of the thermoelectric generator opposite the first outer surface, the latter generates electrical energy until the sodium nitrite has cooled and solidified again. Similar to the system from the US 6,914,343 the further container may be structurally damaged due to thermal expansion of the sodium nitrite.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie zu schaffen, welche die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeiden.It is therefore the object of the present invention to provide an apparatus and a method for generating electrical energy, which avoid the disadvantages of the aforementioned prior art.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen und mit einem Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie gemäß dem Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved on the basis of an apparatus for generating electrical energy according to the preamble of claim 1 in conjunction with the characterizing features and with a method for generating electrical energy according to claim 14. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie vorgesehen, welche folgendes aufweist:

– einen thermischen Energiespeicher mit einem Fluid als Wärmespeichermedium, insbesondere eine Wasser-Salz-Lösung, zum Aufnehmen von thermischer Energie, wobei der thermische Energiespeicher eine thermische Anschlussfläche aufweist,
– einen thermoelektrischen Generator, welcher eine erste Außenfläche und eine zweite Außenfläche aufweist, wobei der thermoelektrische Generator derart konfiguriert ist, eine elektrische Energie zu erzeugen, wenn zwischen der ersten Außenfläche und der zweiten Außenfläche ein Temperaturgradient anliegt, wobei die erste Außenfläche an der thermischen Anschlussfläche des thermischen Energiespeichers derart flächig aufliegt, dass eine thermische Verbindung zwischen der ersten Außenfläche und der thermischen Anschlussfläche des Energiespeichers gebildet ist,

wobei der thermische Energiespeicher eine Einrichtung zum Aufnehmen einer thermischen Volumenänderung des Fluids aufweist.According to the present invention there is provided an apparatus for generating electrical energy, comprising:

A thermal energy store having a fluid as heat storage medium, in particular a water-salt solution, for absorbing thermal energy, the thermal energy store having a thermal connection area,
A thermoelectric generator having a first outer surface and a second outer surface, wherein the thermoelectric generator is configured to generate electrical energy when a temperature gradient is applied between the first outer surface and the second outer surface, the first one Outer surface on the thermal connection surface of the thermal energy storage such flat rests that a thermal connection between the first outer surface and the thermal connection surface of the energy storage is formed,

wherein the thermal energy storage comprises means for receiving a thermal volume change of the fluid.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Energieerzeugung zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Bereitstellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
– Bereitstellen eines Temperaturgradienten zwischen der ersten Außenfläche und der zweiten Außenfläche des thermoelektrischen Generators, indem thermische Energie dem thermischen Energiespeicher zugeführt oder entnommen wird und/oder eine Temperaturänderung an der zweiten Außenfläche des thermoelektrischen Generators bewirkt wird.

Furthermore, according to the invention, a method for generating energy is provided, the method comprising the following steps:

Providing the device according to the invention,
- Providing a temperature gradient between the first outer surface and the second outer surface of the thermoelectric generator by thermal energy is supplied to the thermal energy storage or removed and / or a temperature change is effected on the second outer surface of the thermoelectric generator.

Mittels der erfindungsgemäßen Mittel zum Aufnehmen einer thermischen Volumenänderung wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass der thermische Energiespeicher strukturellen Schaden nimmt, wenn sich das Fluid bei einer Temperaturänderung ausdehnt oder zusammenzieht, insbesondere wenn das Fluid einen Phasenübergang durchläuft. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit eine höhere Lebensdauer auf als die vorgenannten Energieerzeugungssysteme aus dem Stand der Technik. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest zeitweise auch in Umgebungen verwendet werden kann, die per se keinen Temperaturgradienten aufweisen, da mittels des thermischen Energiespeichers eine lokale Senke und/oder Quelle von thermischer Energie bereitgestellt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit einen künstlichen Temperaturgradienten lokal bereit. Hierdurch wird die Ausbeute des thermoelektrischen Generators, welche insbesondere von dem an der ersten und der zweiten Außenfläche anliegenden Temperaturgradienten abhängt, in vorteilhafter Weise erhöht. Weiterhin wird mittels der Erfindung eine Energieerzeugungsvorrichtung geschaffen, welche besonders klein und kompakt ausgebildet sein kann, so dass die Vorrichtungen auch an Orten eingebaut werden können, welche nur einen geringen Einbaubereich bereitstellen. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart dimensioniert, dass sie in einem Würfel mit einer Kantenlänger von weniger als 30 cm, vorzugsweise von weniger als 20 cm, vorzugsweise von weniger als 10 cm anordbar ist.By means of the inventive means for absorbing a thermal change in volume is avoided in an advantageous manner that the thermal energy storage takes structural damage when the fluid expands or contracts with a change in temperature, especially when the fluid undergoes a phase transition. The device according to the invention thus has a longer service life than the aforementioned power generation systems of the prior art. A further advantage of the invention is that the device according to the invention can also be used, at least temporarily, in environments which have no temperature gradient per se, since a local sink and / or source of thermal energy is provided by means of the thermal energy store. The device according to the invention thus provides an artificial temperature gradient locally. As a result, the yield of the thermoelectric generator, which depends in particular on the temperature gradient applied to the first and the second outer surface, is advantageously increased. Furthermore, by means of the invention, a power generating device is provided, which can be designed to be particularly small and compact, so that the devices can also be installed in locations which provide only a small installation area. Preferably, the device according to the invention is dimensioned such that it can be arranged in a cube with an edge length of less than 30 cm, preferably less than 20 cm, preferably less than 10 cm.

Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung in einem Luftfahrzeug oder einem Tauchfahrzeug verwendet. Insbesondere ist die Vorrichtung in einer Fahrzeugaußenwand, welche beispielsweise doppelwandig ausgebildet sein kann, eingebaut, beispielsweise in einen Rumpf eines Flugzeugs oder Tauchfahrzeugs. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung in ein Leitwerk oder einen Flügel eingebaut ist. Insbesondere ist die Vorrichtung in Bereichen angeordnet, welche in thermischen Kontakt mit einer Außenwelt sind. Vorzugsweise ist die zweite Außenfläche über die Fahrzeugaußenwand mit einer Umgebung des Fahrzeugs thermisch angekoppelt. Die Vorrichtung kann beispielsweise in einem Unfalldatenschreiber oder einem Flugschreiber, auch bezeichnet als Black Box, verwendet werden. Weiterhin kann die Vorrichtung beispielsweise zur elektrischen Energieversorgung für Sensoren, insbesondere autarke Sensoren verwendet werden, vorzugsweise für Sensoren in einem Flugzeug. Die Sensoren umfassen bevorzugterweise Funksensoren, insbesondere autonome Funksensoren. Bevorzugterweise sind die Funksensoren als ein Funksensornetzwerkknoten, vorzugsweise ein autarker Funksensornetzwerkknoten, ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also eine primäre Energiequelle für obige Sensoren ersetzen oder ergänzen und ermöglicht somit, einen autonomen und autarken Betrieb solcher Sensoren. Da der thermische Energiespeicher zeitverzögert eine Umgebungstemperatur annimmt und sich diese bei einem Steig- oder Sinkflug des Fahrzeugs ändert, wird aufgrund des sich dadurch immer wieder neu bildenden Temperaturgradienten zwischen dem thermischen Energiespeicher und der Umgebung elektrische Energie erzeugt. Ferner wird durch den erfindungsgemäßen thermischen Energiespeicher auch eine sichere Energieversorgung im Streckenflug sichergestellt, das heißt bevor ein Steig- oder ein Sinkflug mit damit einhergehender Höhenänderung erfolgt. Somit ist mittels der Erfindung eine regenerative Energiequelle mit hoher Leistungsdichte geschaffen.According to the invention, the device is used in an aircraft or a submersible. In particular, the device in a vehicle outer wall, which may be formed, for example, double-walled, installed, for example, in a fuselage of an aircraft or submersible vehicle. But it can also be provided that the device is installed in a tail or wing. In particular, the device is arranged in areas which are in thermal contact with an outside world. Preferably, the second outer surface is thermally coupled via the vehicle outer wall with an environment of the vehicle. The device can be used for example in an accident data recorder or a black box, also referred to as black box. Furthermore, the device can be used for example for the electrical power supply for sensors, in particular autonomous sensors, preferably for sensors in an aircraft. The sensors preferably comprise radio sensors, in particular autonomous radio sensors. The radio sensors are preferably designed as a radio sensor network node, preferably a self-sufficient radio sensor network node. The device according to the invention can therefore replace or supplement a primary energy source for the above sensors and thus enables an autonomous and self-sufficient operation of such sensors. Since the thermal energy storage takes a time delay, an ambient temperature and this changes in a climb or descent of the vehicle, electrical energy is generated due to the ever again forming temperature gradient between the thermal energy storage and the environment. Furthermore, a secure energy supply in the cross-country flight is ensured by the thermal energy storage according to the invention, that is, before a climb or descent takes place with associated altitude change. Thus, by means of the invention, a regenerative power source with high power density is provided.

In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der thermoelektrische Generator symmetrisch ausgebildet. Das heißt, dass sowohl die erste Außenfläche als auch die zweite Außenfläche derart ausgebildet sind, dass beide flächig an die thermische Anschlussfläche des thermischen Energiespeichers anliegbar sind. Vorzugsweise umfasst der thermoelektrische Generator ein Peltierelement. Beispielsweise ist das Peltierelement zumindest teilweise aus Bi₂Te₃, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi₂ hergestellt. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der thermoelektrische Generator mehrere in Reihe geschaltete Peltierelemente. Somit wird bei gleichem Temperaturgradienten eine größere elektrische Spannung erzeugt als bei nur einem Peltierelement. Vorzugsweise umfasst das Peltierelement mehrere, insbesondere zwei, quaderförmige Bereiche aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial, vorzugsweise Bi₂Te₃, PbTe, SiGe, BiSb, FeSi₂ oder Aluminiumoxid. Die Quader sind jeweils mittels metallischen Kontaktbrücken elektrisch miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die erste und/oder zweite Außenfläche zumindest teilweise aus den metallischen Kontaktbrücken gebildet. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der thermoelektrische Generator elektrische Anschlüsse auf, welche derart konfiguriert sind, den elektrothermischen Generator an einen elektrischen Stromkreis anzuschließen.In an exemplary embodiment of the invention, the thermoelectric generator is designed symmetrically. This means that both the first outer surface and the second outer surface are formed in such a way that both are applied in a planar manner to the thermal connection surface of the thermal energy store. Preferably, the thermoelectric generator comprises a Peltier element. For example, the Peltier element is at least partially made of Bi ₂ Te ₃ , PbTe, SiGe, BiSb or FeSi ₂ . In a further preferred embodiment, the thermoelectric generator comprises a plurality of Peltier elements connected in series. Thus, with the same temperature gradient, a greater electrical voltage is generated than with only one Peltier element. Preferably, the Peltier element comprises a plurality, in particular two, cuboid regions of p- and n-doped semiconductor material, preferably Bi ₂ Te ₃ , PbTe, SiGe, BiSb, FeSi ₂ or Alumina. The cuboids are each electrically connected to each other by means of metallic contact bridges. Preferably, the first and / or second outer surface are at least partially formed from the metallic contact bridges. In another preferred embodiment of the invention, the thermoelectric generator has electrical terminals which are configured to connect the electrothermal generator to an electrical circuit.

Das in dem thermischen Energiespeicher verwendete Fluid ist vorzugsweise eine Wasser-Salz-Lösung, insbesondere ist das Salz Natriumchlorid. Beispielsweise kann das Fluid auch eine Wasser-Ammoniak-Lösung sein. Vorzugsweise weist das Fluid einen Gefrierpunkt von 220 Kelvin bis 320 Kelvin auf, vorzugsweise zwischen 270 K und 260 Kelvin, weiterhin vorzugsweise zwischen 273 K und 252 K. Über den Gefrierpunkt kann einerseits ein Temperaturpunkt der Abgabe der latenten Wärme gesteuert werden und andererseits kann eine Auftauzeit beeinflusst werden. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ein Fluid vorgesehen sein, welches einen Phasenwandel, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 220 Kelvin bis 320 Kelvin, erfährt. Vorzugsweise ist ein Fluid vorgesehen, welches einen Phasenwandel von fest zu flüssig erfährt.The fluid used in the thermal energy storage is preferably a water-salt solution, in particular, the salt is sodium chloride. For example, the fluid may also be a water-ammonia solution. Preferably, the fluid has a freezing point of 220 Kelvin to 320 Kelvin, preferably between 270 K and 260 Kelvin, further preferably between 273 K and 252 K. About the freezing point, on the one hand, a temperature point of the delivery of latent heat can be controlled and on the other hand, a thawing time to be influenced. In a further exemplary embodiment of the invention, a fluid can be provided which undergoes a phase change, preferably in a temperature range from 220 Kelvin to 320 Kelvin. Preferably, a fluid is provided which undergoes a phase change from solid to liquid.

In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der thermische Energiespeicher einen Fluidanschluss auf, welcher konfiguriert ist, das Fluid in den thermischen Energiespeicher einzubringen und/oder zu entnehmen. Vorzugsweise weist der Fluidanschluss ein Ventil auf. Beispielsweise umfasst das Ventil eine Dichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil als Schraubventil oder als Quetschventil gebildet.In an exemplary embodiment of the invention, the thermal energy store has a fluid connection which is configured to introduce and / or remove the fluid into the thermal energy store. The fluid connection preferably has a valve. For example, the valve comprises a seal. In a preferred embodiment, the valve is formed as a screw valve or as a pinch valve.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zum Aufnehmen einer thermischen Volumenänderung als eine Dehnfuge, ein Faltenbalg, ein Wellbalg ein Körper aus einem elastischen Material oder als ein Gummiball ausgebildet. Das elastische Material ist vorzugsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, den Körper und/oder den Gummiball innerhalb des thermischen Energiespeichers anzuordnen. In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Dehnfuge eine Fugendichtung auf, beispielsweise Fugenbänder, Fugenbleche oder Quellbänder. Beispielsweise weist die Dehnfuge ein Dichtelement, welches vorzugsweise aus Silikon gebildet ist. Der Faltenbalg und der Wellbalg sind vorzugsweise aus Edelstahl gebildet. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Faltenbalg und der Wellbalg aus Gummi oder einem Kunststoff gebildet sind. Vorzugsweise ist der Faltenbalg oder der Wellenbalg an dem thermischen Energiespeicher angeschweißt.In a preferred embodiment of the invention, the means for receiving a thermal volume change as an expansion joint, a bellows, a corrugated bellows, a body made of an elastic material or as a rubber ball is formed. The elastic material is preferably formed from a shape memory material. In particular, it may be provided to arrange the body and / or the rubber ball within the thermal energy store. In an exemplary embodiment of the invention, the expansion joint has a joint seal, for example, joint tapes, joint sheets or swelling tapes. For example, the expansion joint has a sealing element, which is preferably formed from silicone. The bellows and bellows are preferably made of stainless steel. But it can also be provided that the bellows and bellows are made of rubber or a plastic. Preferably, the bellows or the bellows is welded to the thermal energy storage.

In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind Mittel zum Einstellen eines Abstandes zwischen der ersten Außenfläche des thermoelektrischen Generators und der thermischen Anschlussfläche des thermischen Energiespeichers vorgesehen, vorzugsweise sind die Mittel an dem thermischen Energiespeicher angeordnet. Da eine thermische Ankopplung der ersten Außenfläche mit der thermischen Anschlussfläche insbesondere von dem Abstand abhängt, ist somit ein einstellbarer thermischer Widerstand zwischen der thermischen Außenfläche und der ersten Außenfläche geschaffen. Hierdurch kann insbesondere die Erzeugung von elektrischer Energie einfach unterbrochen werden, indem der Abstand derart eingestellt wird, dass die thermische Anschlussfläche und die erste Anschlussfläche thermisch voneinander entkoppelt sind. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine thermische Isolierung zwischen den Mitteln zum Einstellen eines Abstandes und dem thermischen Energiespeicher und/oder dem thermoelektrischen Generator vorgesehen sein. Somit wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass thermische Energie über die Mittel zum Einstellen eines Abstandes übertragen werden kann. Insbesondere wird ein thermischer Kurzschluss vermieden.In an exemplary embodiment of the invention, means for adjusting a distance between the first outer surface of the thermoelectric generator and the thermal connection surface of the thermal energy store are provided, preferably the means are arranged on the thermal energy store. Since thermal coupling of the first outer surface with the thermal connection surface depends in particular on the distance, an adjustable thermal resistance is thus created between the outer thermal surface and the first outer surface. In this way, in particular, the generation of electrical energy can be interrupted simply by setting the distance such that the thermal connection area and the first connection area are thermally decoupled from one another. In another preferred embodiment of the invention, a thermal insulation between the means for adjusting a distance and the thermal energy storage and / or the thermoelectric generator may be provided. Thus, it is advantageously avoided that thermal energy can be transmitted via the means for setting a distance. In particular, a thermal short circuit is avoided.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zum Einstellen eines Abstandes derart konfiguriert, dass ein Anpressdruck zwischen der ersten Außenfläche des thermoelektrischen Generators und der thermischen Anschlussfläche des thermischen Energiespeichers einstellbar ist. Hierdurch wird eine besonders gute thermische Ankopplung der ersten Außenfläche und der thermischen Anschlussfläche erreicht. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Außenfläche mittels eines thermisch leitenden Klebemittels an die thermische Anschlussfläche geklebt ist. Vorzugsweise ist dass Klebemittel derart gebildet, dass es eine Klebeverbindung zwischen der ersten Außenfläche und der thermischen Anschlussfläche auch nach mehrmaligen Lösen und Wiederankleben sicherstellt. Vorzugsweise weist das Klebemittel eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Klebemittel einen Metallkleber und/oder einen Epoxid-Harz-Kleber.In another advantageous embodiment of the invention, the means for adjusting a distance are configured such that a contact pressure between the first outer surface of the thermoelectric generator and the thermal connection surface of the thermal energy store is adjustable. As a result, a particularly good thermal coupling of the first outer surface and the thermal connection surface is achieved. It can be provided that the first outer surface is glued to the thermal connection surface by means of a thermally conductive adhesive. Preferably, the adhesive is formed such that it ensures an adhesive bond between the first outer surface and the thermal interface even after repeated loosening and recapturing. Preferably, the adhesive has a high thermal conductivity. In an exemplary embodiment of the invention, the adhesive comprises a metal adhesive and / or an epoxy resin adhesive.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel zum Einstellen eines Abstands mindestens einen Federbolzen mit einer einstellbaren Federspannung. Insbesondere sind die Federbolzen konfiguriert, die thermische Anschlussfläche an die erste Außenfläche anzupressen. Vorzugsweise sind drei Federbolzen vorgesehen. Vorzugsweise ist die Federspannung mittels einer Mutter einstellbar. Vorzugsweise ist die Mutter an einem Ende des Federbolzens angeordnet. Vorzugsweise ist zwischen der Mutter und der Feder eine Unterlegscheibe vorgesehen. Vorzugsweise sind Mutter, Feder und Federbolzen aus einem thermisch schlecht leitenden Material. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der zumindest ein Federbolzen zumindest teilweise von einer thermischen Isolierung umschlossen ist. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Federbolzen aus Metall oder aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff sind, vorzugsweise aus einem Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus einem Carbon-Faser-Kunststoff(CFK)-Material. Die Bolzen können insbesondere aus einem Keramikmaterial gebildet sein.In a preferred embodiment of the invention, the means for adjusting a distance comprise at least one spring bolt with an adjustable spring tension. In particular, the spring bolts are configured to press the thermal interface against the first outer surface. Preferably, three spring bolts are provided. Preferably, the spring tension is adjustable by means of a nut. Preferably, the nut is at one Arranged end of the spring bolt. Preferably, a washer is provided between the nut and the spring. Preferably, the nut, spring and spring bolts of a thermally poorly conductive material. It may further be provided that the at least one spring bolt is at least partially enclosed by a thermal insulation. In a further exemplary embodiment of the invention it can be provided that the spring bolts are made of metal or of a fiber-plastic composite material, preferably of a carbon fiber reinforced plastic, in particular of a carbon-fiber-plastic (CFRP) material. The bolts may in particular be formed from a ceramic material.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgehen sein, dass der thermische Energiespeicher einen Behälter umfasst, in welchem das Fluid angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Behälter thermisch isoliert. Insbesondere können Isolierungsmittel vorgesehen sein, welche den thermischen Energiespeicher oder den Behälter gegenüber einer Umgebung zumindest teilweise thermisch isolieren. Vorzugsweise umfassen die Isolierungsmittel ein thermisches Isolierungsmaterial. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das thermische Isolierungsmaterial den thermischen Energiespeicher oder den Behälter zumindest teilweise umschließt. Vorzugsweise ist das thermische Isolierungsmaterial geschäumtes Polystyrol. Es kann beispielsweise auch geschäumtes Polyurethan, geschäumtes Glas oder jedes andere für die jeweilige Anwendung geeignetes Isoliermaterial, beispielsweise Mineralwolle, insbesondere Glaswolle oder Steinwolle. Es kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Behälter mehrere von einander getrennte Kammern zur Fluidaufnahme aufweist. So können beispielsweise mehrere Fluide mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen in den thermischen Energiespeicher eingebracht sein, so dass dadurch entsprechende Temperaturgradienten zwischen der ersten und der zweiten Außenfläche des thermoelektrischen Generators auswählbar sind. In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zum Aufnehmen einer thermischen Volumenänderung in dem Behälter integriert.In a preferred embodiment of the invention can proceed, that the thermal energy storage comprises a container in which the fluid is arranged. Preferably, the container is thermally insulated. In particular, insulation means may be provided which at least partially thermally insulate the thermal energy store or the container from an environment. Preferably, the insulation means comprise a thermal insulation material. For example, it can be provided that the thermal insulation material at least partially surrounds the thermal energy store or the container. Preferably, the thermal insulation material is foamed polystyrene. It may, for example, foamed polyurethane, foamed glass or any other suitable for the particular application insulating material, such as mineral wool, especially glass wool or rock wool. It may be provided in an advantageous embodiment of the invention that the container has a plurality of separate chambers for fluid intake. Thus, for example, a plurality of fluids each having different temperatures can be introduced into the thermal energy store, so that corresponding temperature gradients between the first and the second outer surface of the thermoelectric generator can be selected thereby. In an exemplary embodiment of the invention, the device for recording a thermal volume change is integrated in the container.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Behälter eine Außenwand und eine von der Außenwand beabstandete Innenwand aufweist, wobei die Innenwand ein Innenvolumen umschließt, in welchem das Fluid angeordnet ist. Insbesondere können die Innenwand und/oder die Außenwand jeweils einseitig oder beidseitig eine reflektierende Schicht aufweisen. Vorzugsweise weist die reflektierende Schicht eine Aluminiumschicht, vorzugsweise eine Silberschicht, vorzugsweise eine Goldschicht auf. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zum Aufnehmen einer thermischen Volumenänderung in der Innenwand integriert ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine weitere Einrichtung zum Aufnehmen einer thermischen Volumenänderung in der Außenwand integriert ist. Beispielsweise können/kann ein Faltenbalg und/oder eine Dehnfuge in der Innenwand integriert sein. Zusätzlich können/kann ein weiterer Faltenbalg und/oder eine weitere Dehnfuge in der Außenwand integriert sein.In a further exemplary embodiment of the invention it can be provided that the container has an outer wall and an inner wall spaced from the outer wall, wherein the inner wall encloses an inner volume in which the fluid is arranged. In particular, the inner wall and / or the outer wall can each have a reflective layer on one or both sides. Preferably, the reflective layer comprises an aluminum layer, preferably a silver layer, preferably a gold layer. For example, it can be provided that the device for absorbing a thermal change in volume is integrated in the inner wall. In a further embodiment of the invention can be provided that a further means for receiving a thermal change in volume is integrated in the outer wall. For example, a bellows and / or an expansion joint can be integrated in the inner wall. In addition, a further bellows and / or a further expansion joint may be integrated in the outer wall.

Es kann weiterhin in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass zwischen der Außenwand und der Innenwand ein Vakuum gebildet ist.It may further be provided in a preferred embodiment of the invention that between the outer wall and the inner wall, a vacuum is formed.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass zwischen der Außenwand und der Innenwand ein weiteres Fluid zur thermischen Isolierung, insbesondere Argon, eingebracht ist. Bevorzugterweise weist der Behälter einen Anschluss auf, welcher konfiguriert ist, den Zwischenraum zu evakuieren und/oder mit dem weiteren Fluid zu befüllen. Insbesondere weist der Anschluss ein Rohr auf. Bevorzugterweise ist das Rohr als ein Abquetschrohr gebildet. So kann das Rohr nach dem Evakuieren und/oder Befüllen einfach abgequetscht werden, wodurch eine sichere Versiegelung des Zwischenraums gegenüber einer Umgebung erreicht wird. Es kann in einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, zwischen der Außenwand und der Innenwand thermische Isolierungsmittel anzuordnen. Vorzugsweise sind die thermischen Isolierungsmittel aus thermischen Dämmmaterialien gebildet, vorzugsweise geschäumtes Polystyrol. Es kann beispielsweise auch geschäumtes Polyurethan, geschäumtes Glas oder jedes andere für die jeweilige Anwendung geeignetes thermisches Dämmmaterial verwendet werden, beispielsweise Mineralwolle, insbesondere Glaswolle oder Steinwolle. Die vorbeschriebenen doppelwandigen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Behälters bewirken nicht nur eine besonders effektive thermische Isolierung des thermischen Energiespeichers, sondern zusätzlich einen mechanischen Schutz gegenüber von außen auf den Energiespeicher einwirkenden Kräften. Insbesondere ein zwischen der Außenwand und der Innenwand des Behälters angeordnetes Fluid bzw. ein für die jeweilige Anwendung geeignetes Isoliermaterial oder thermische Dämmmaterial gewährleistet einen sicheren mechanischen Schutz.Alternatively it can be provided that between the outer wall and the inner wall, a further fluid for thermal insulation, in particular argon, is introduced. Preferably, the container has a port which is configured to evacuate the gap and / or to fill with the further fluid. In particular, the connection has a tube. Preferably, the tube is formed as a pinch tube. Thus, the tube can be easily squeezed off after evacuation and / or filling, whereby a secure seal of the gap is achieved with respect to an environment. It may be provided in another preferred embodiment of the invention to arrange thermal insulation means between the outer wall and the inner wall. Preferably, the thermal insulation means are formed of thermal insulation materials, preferably foamed polystyrene. For example, it is also possible to use foamed polyurethane, foamed glass or any other thermal insulating material suitable for the respective application, for example mineral wool, in particular glass wool or rock wool. The above-described double-walled embodiments of the container according to the invention not only cause a particularly effective thermal insulation of the thermal energy storage, but also a mechanical protection against external forces acting on the energy storage forces. In particular, a fluid arranged between the outer wall and the inner wall of the container or an insulating material or thermal insulation material suitable for the respective application ensures reliable mechanical protection.

In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass innerhalb des thermischen Energiespeichers eine thermische Energieverteilungseinrichtung angeordnet ist, welche konfiguriert ist, Temperaturgradienten in dem Fluid zu verringern, das heißt, die Temperatur des Wärmeträgerfluids zu vergleichmäßigen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Energieerzeugungsvorrichtung deutlich verbessert. Vorzugsweise umfasst die thermische Energieverteilungseinrichtung thermische Leitrippen. Insbesondere sind die thermischen Leitrippen aus Aluminium oder aus Kupfer, vorzugsweise aus Graphit oder aus Graphitfasern hergestellt. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die thermische Energieverteilungseinrichtung thermisch mit der thermischen Anschlussfläche verbunden ist.In another exemplary embodiment of the invention, provision may be made for a thermal energy distribution device to be arranged within the thermal energy store, which is configured to reduce temperature gradients in the fluid, that is, to equalize the temperature of the heat carrier fluid. As a result, the efficiency of Power generating device significantly improved. Preferably, the thermal energy distribution device comprises thermal guide ribs. In particular, the thermal guide ribs are made of aluminum or copper, preferably graphite or graphite fibers. In a further preferred embodiment of the invention can be provided that the thermal energy distribution device is thermally connected to the thermal connection surface.

Weiterhin ist in einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Regelungseinrichtung vorgesehen, welche derart konfiguriert ist, die Mittel zum Einstellen eines Abstands anzusteuern. Insbesondere kann die Regelungseinrichtung derart konfiguriert sein, die Mittel zum Einstellen eines Abstandes in Abhängigkeit von zumindest einem Parameter ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Parametern anzusteuern: thermische Energiespeichertemperatur, an der ersten Außenfläche des thermoelektrischen Generators anliegende erste Generatortemperatur, an der zweiten Außenfläche des thermoelektrischen Generators anliegende zweite Generatortemperatur, Umgebungstemperatur. Vorzugsweise weist/weisen der thermische Energiespeicher und/oder der thermoelektrische Generator Temperatursensoren auf, die mit der Regelungseinrichtung verbunden sein können.Furthermore, in another preferred embodiment of the invention, a control device is provided, which is configured to control the means for setting a distance. In particular, the control device may be configured to control the means for setting a distance as a function of at least one parameter selected from the following group of parameters: thermal energy storage temperature, first generator temperature applied to the first outer surface of the thermoelectric generator, on the second outer surface of the thermoelectric generator adjacent second generator temperature, ambient temperature. Preferably, the thermal energy store and / or the thermoelectric generator has / have temperature sensors that can be connected to the control device.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der thermische Energiespeicher halbkugelförmig oder kugelförmig ausgebildet. Hierdurch wird ein Verlust an thermischer Energie verringert. Außerdem wird hierdurch eine quasi punktförmige Masse zur Verfügung gestellt, bei der keine Lageänderung durch sich verschiebende Fluidteile auftritt, was anderenfalls bei kleinen Luft- und Tauchfahrzeugen die Fluglage bzw. Schwimmlage negativ beeinflussen könnte. Bevorzugterweise umfasst die thermische-Anschlussfläche die Basisfläche des halbkugelförmigen oder kugelförmigen Behälters. Hierdurch ist es auch möglich, die Vorrichtung leicht, aber dennoch druckfest herzustellen, was insbesondere für Umgebungen mit hohem Außendruck vorteilhaft ist.In another preferred embodiment of the invention, the thermal energy store is hemispherical or spherical. This reduces a loss of thermal energy. In addition, a quasi-point-like mass is thereby made available, in which no change in position occurs due to shifting fluid parts, which could otherwise adversely affect the attitude or swimming position in small aircraft and diving vehicles. Preferably, the thermal interface comprises the base surface of the hemispherical or spherical container. As a result, it is also possible to produce the device easily, but nevertheless pressure-resistant, which is particularly advantageous for environments with high external pressure.

Vorzugsweise wird thermische Energie dem thermischen Energiespeicher zugeführt, indem ein zusätzliches Fluid in den thermischen Energiespeicher eingebracht wird. Insbesondere wird dem thermischen Energiespeicher thermische Energie entnommen, indem das Fluid und/oder das zusätzliche Fluid dem thermischen Energiespeicher entnommen wird. Alternativ wird eine Fluidmenge im thermischen Energiespeicher konstant gehalten. Eine thermische Energie wird dann mittels Erwärmen des Fluids dem Energiespeicher zugeführt. Die Fluidmenge regelt insbesondere die maximal verfügbare thermische Energie, insbesondere wenn Temperaturgrenzen bekannt sind.Preferably, thermal energy is supplied to the thermal energy storage by an additional fluid is introduced into the thermal energy storage. In particular, the thermal energy storage thermal energy is removed by the fluid and / or the additional fluid is removed from the thermal energy storage. Alternatively, a quantity of fluid in the thermal energy store is kept constant. A thermal energy is then supplied by heating the fluid to the energy store. In particular, the amount of fluid controls the maximum available thermal energy, especially if temperature limits are known.

Vorzugsweise kann eine Temperaturänderung an der zweiten Außenfläche des thermoelektrischen Generators insbesondere dadurch bewirkt werden, indem die Vorrichtung von einer ersten Umgebung mit einer ersten Umgebungstemperatur in eine zweite Umgebung mit einer von der ersten Umgebungstemperatur verschiedenen zweiten Umgebungstemperatur verlagert wird. Beispielsweise kann die Vorrichtung in einem Flugzeug derart eingebaut sein, dass die zweite Außenfläche thermisch an die Außenumgebung des Flugzeugs gekoppelt ist, beispielsweise über eine Außenwand eines Flugzeugrumpfes. Wenn das Flugzeug an Flughöhe gewinnt, so sinkt üblicherweise die Außentemperatur und es bildet sich ein Temperaturgradient zwischen der ersten und der zweiten Außenfläche des thermoelektrischen Generators, das heißt mit einer Höhenänderung von mehreren hundert Metern ändert sich die Außentemperatur in der Regel deutlich. Nach einer Zeit, welche insbesondere von dem verwendeten Fluid in dem thermischen Energiespeicher und von der thermischen Verbindung zwischen der ersten Außenfläche und der thermischen Anschlussfläche des thermischen Energiespeichers abhängt, wird das Fluid einen Phasenwandel von flüssig nach fest erfahren und gefrieren. Der Temperaturgradient wird somit kleiner werden. Wenn das Flugzeug nun an Flughöhe verliert, das heißt wenn es sich im Sinkflug befindet, so steigt damit üblicherweise auch die Außentemperatur und damit auch die an der zweiten Außenfläche anliegende Temperatur. Hierdurch bildet sich ein neuer Temperaturgradient und der thermoelektrische Generator erzeugt Strom. Dieser Vorgang ist von Tages- und Nachtzeiten unabhängig. Eine Auftauzeit bzw. eine Gefrierzeit des Fluids lässt sich beispielsweise einstellen, indem bevorzugterweise das Verhältnis Wasser zu Salz entsprechend geändert wird. Weiterhin kann insbesondere ein thermoelektrischer Generator mit einem der gewünschten Auftau- bzw. Gefrierzeit entsprechend angepassten thermischen Widerstand gewählt werden. Als vorteilhaft hat sich eine Auftauzeit von mindestens 45 Minuten herausgestellt. Üblicherweise braucht es mindestens diese Zeit, bis ein Flugzeug am Boden aufgetankt und be- bzw. entladen wurde. Analog kann auch bei einem Tauchfahrzeug eine Temperaturänderung bewirkt werden, indem das Tauchfahrzeug auf bzw. abtaucht und somit durch verschiedene Temperaturschichten des Wassers taucht. Ähnliches gilt beispielsweise auch für Bergbahnen, die einen großen Höhenunterschied bewältigen.Preferably, a temperature change on the second outer surface of the thermoelectric generator can be effected in particular by shifting the device from a first environment having a first ambient temperature to a second environment having a second ambient temperature different from the first ambient temperature. For example, the device may be installed in an aircraft such that the second outer surface is thermally coupled to the exterior environment of the aircraft, for example via an outer wall of an aircraft fuselage. When the aircraft is gaining altitude, the outside temperature usually decreases and a temperature gradient forms between the first and second outer surfaces of the thermoelectric generator, that is, with a height change of several hundred meters, the outside temperature generally changes significantly. After a time, which depends in particular on the fluid used in the thermal energy storage and the thermal connection between the first outer surface and the thermal interface of the thermal energy storage, the fluid will undergo a phase change from liquid to solid and freeze. The temperature gradient will thus become smaller. If the aircraft now loses altitude, that is, if it is in descent, so usually increases the outside temperature and thus also the voltage applied to the second outer surface temperature. This creates a new temperature gradient and the thermoelectric generator generates electricity. This process is independent of daytime and nighttime. A thawing time or a freezing time of the fluid can be adjusted, for example, by preferably changing the ratio of water to salt accordingly. Furthermore, in particular a thermoelectric generator with a desired thawing or freezing time correspondingly adapted thermal resistance can be selected. As advantageous, a thawing time of at least 45 minutes has been found. It usually takes at least this time until an aircraft has been refueled and loaded or unloaded on the ground. Analogously, a temperature change can also be effected in a submersible vehicle by the submersible vehicle diving up or down and thus diving through different temperature layers of the water. The same applies, for example, to mountain railways that manage a large difference in altitude.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of a preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.

Es zeigt:It shows:

1 eine transparente Ansicht von schräg oben einer Ausführungsform der Erfindung, 1 a transparent oblique view of an embodiment of the invention,

2 eine seitliche Querschnittsansicht der in der 1 gezeigten Ausführungsform und 2 a lateral cross-sectional view in the 1 shown embodiment and

3 eine schematische Ansicht der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform eingebaut in einem Flugzeugrumpf. 3 a schematic view of the in the 1 and 2 embodiment shown installed in an aircraft fuselage.

Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 weist einen thermischen Energiespeicher 2 mit einem doppelwandig ausgebildeten halbkugelförmigen Behälter 3 auf. Der Behälter 3 umfasst eine Innenwand 4a und eine von der Innenwand 4a beabstandete Außenwand 4b. Zwischen der Innenwand 4a und der Außenwand 4b ist ein Vakuum zur thermischen Isolierung gebildet. Die Innenwand 4a umschließt ein Innenvolumen 5, in welchem ein Fluid (nicht gezeigt) zur thermischen Energiespeicherung angeordnet ist. In dem Innenvolumen 5 ist weiterhin eine thermische Energieverteilungseinrichtung 6 angeordnet, welche somit in thermischen Kontakt mit dem Fluid ist. Die thermische Energieverteilungseinrichtung 6 umfasst vier Wärmeleitrippen 6a, 6b, 6c, 6d und einen mittig zu den vier Wärmeleitrippen 6a, 6b, 6c, 6d angeordneten Wärmeleitstab 6e. Der Wärmeleitstab 6e ist in etwa mittig auf einer Basisfläche des halbkugelförmigen Behälters 3 senkrecht zu der Basisfläche angeordnet. Auch die vier Wärmeleitrippen 6a, 6b, 6c, 6d sind auf der Basisfläche senkrecht zu dieser angeordnet. Vorzugsweise sind die vier Wärmeleitrippen 6a, 6b, 6c, 6d und der Wärmeleitstab 6e an die Basisfläche angeschweißt. Es kann aber auch beispielsweise vorgesehen sein, dass die vier Wärmeleitrippen 6a, 6b, 6c, 6d und der Wärmeleitstab 6e an die Basisfläche angeklebt sind, vorzugsweise mittels eines thermisch leitfähigen Klebemittels. Mittels der vier Wärmeleitrippen 6a, 6b, 6c, 6d und des Wärmeleitstabs 6e wird verhindert, dass sich in dem Fluid erhebliche lokale Temperaturgradienten bilden können, welche ihrerseits wiederum einen an einem thermoelektrischen Generator (siehe 2) anliegenden Temperaturgradienten reduzieren, wodurch ein Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators verringert wird.In the 1 shown device 1 has a thermal energy storage 2 with a double-walled hemispherical container 3 on. The container 3 includes an inner wall 4a and one from the inside wall 4a spaced outside wall 4b , Between the inner wall 4a and the outer wall 4b a vacuum is formed for thermal insulation. The inner wall 4a encloses an internal volume 5 in which a fluid (not shown) is arranged for thermal energy storage. In the interior volume 5 is still a thermal energy distribution device 6 arranged, which is thus in thermal contact with the fluid. The thermal energy distribution device 6 includes four heat-conducting ribs 6a . 6b . 6c . 6d and one in the middle of the four heat-conducting ribs 6a . 6b . 6c . 6d arranged Wärmeleitstab 6e , The thermal conductor 6e is approximately centered on a base surface of the hemispherical container 3 arranged perpendicular to the base surface. Also the four heat-conducting ribs 6a . 6b . 6c . 6d are arranged on the base surface perpendicular to this. Preferably, the four heat-conducting ribs 6a . 6b . 6c . 6d and the thermal conductor 6e welded to the base surface. However, it can also be provided, for example, that the four heat-conducting ribs 6a . 6b . 6c . 6d and the thermal conductor 6e adhered to the base surface, preferably by means of a thermally conductive adhesive. By means of the four heat-conducting ribs 6a . 6b . 6c . 6d and the Wärmeleitstabs 6e it is prevented that significant local temperature gradients can form in the fluid, which in turn forms a thermoelectric generator (see FIG 2 ) reduce adjacent temperature gradient, whereby an efficiency of the thermoelectric generator is reduced.

Der Behälter 3 weist weiterhin einen Fluidanschluss 7 auf, welcher konfiguriert ist, das Fluid in den Behälter 3 einzubringen und/oder zu entnehmen. Der Fluidanschluss 7 ist radial zu dem halbkugelförmigen Behälter 3 und mittig zu der Basisfläche auf der Halbkugel angeordnet. An einem von dem Behälter 3 gegenüberliegenden Ende des Fluidanschlusses 7 ist ein Ventil 7a angeordnet. Das Ventil 7a verschließt den Fluidanschluss 7. Hierzu ist an dem Ventil 7a eine Dichtung 7b vorgesehen. Vorzugsweise ist das Ventil 7a ein Schraubventil. Das Ventil 7a kann beispielsweise als ein Quetschventil gebildet sein. Das Ventil 7a weist ferner eine Aussparung auf, welche derart konfiguriert ist, ein Werkzeug, insbesondere einen Imbusschlüssel oder einen Torxschlüssel, zum Drehen des Ventils 7a aufzunehmen.The container 3 also has a fluid connection 7 which is configured to transfer the fluid into the container 3 introduce and / or remove. The fluid connection 7 is radial to the hemispherical container 3 and centered on the basal plane on the hemisphere. At one of the container 3 opposite end of the fluid connection 7 is a valve 7a arranged. The valve 7a closes the fluid connection 7 , This is on the valve 7a a seal 7b intended. Preferably, the valve 7a a screw valve. The valve 7a For example, it may be formed as a pinch valve. The valve 7a further comprises a recess configured to hold a tool, in particular a hex key or a Torx key, for rotating the valve 7a take.

Des Weiteren ist an dem Behälter 3 auf der Halbkugel ein Anschluss 8 mit einem Rohr 8a angeordnet, welcher konfiguriert ist, einen zwischen der Außenwand 4b und der Innenwand 4a gebildeten Zwischenraum zu evakuieren und/oder mit einem weiteren Fluid, beispielsweise Argon, zu befüllen. Vorzugsweise ist das Rohr 8a an den Behälter angeschweißt. Das Rohr 8a ist als Abquetschrohr ausgebildet. Somit ist mittels des Abquetschrohrs insbesondere eine sichere und extrem leichte Befüllung ermöglicht. Nachdem der Zwischenraum evakuiert bzw. mit dem weiteren Fluid befüllt wurde, kann das Rohr 8a abgequetscht werden, wodurch der Zwischenraum abgedichtet wird.Furthermore, on the container 3 on the hemisphere a connection 8th with a pipe 8a arranged, which is configured, one between the outer wall 4b and the inner wall 4a To evacuate the space formed and / or filled with another fluid, such as argon. Preferably, the tube 8a welded to the container. The pipe 8a is designed as a squeeze tube. Thus, a safe and extremely light filling is possible in particular by means of the squeeze tube. After the gap has been evacuated or filled with the other fluid, the tube 8a be squeezed off, whereby the gap is sealed.

Alternativ oder ergänzend kann auch der Fluidanschluß 7 als Abquetschrohr ausgebildet werden.Alternatively or additionally, the fluid connection 7 be designed as Abquetschrohr.

Der Behälter 3 weist ferner Mittel 9 zum Einstellen eines Abstandes zwischen einer thermischen Anschlussfläche 10 des thermischen Energiespeichers 2 und einer ersten Außenfläche des thermoelektrischen Generators (siehe 2), wobei in diesem Ausführungsbeispiel die thermische Anschlussfläche 10 die Basisfläche des halbkugelförmigen Behälters ist. Die Mittel 9 zum Einstellen eines Abstandes umfassen drei Federbolzen 9a, 9b, 9c, welche außen an der Basisfläche derart angeordnet sind, dass die drei Federbolzen 9a, 9b, 9c drei Punkte eines gleichschenkligen Dreiecks bilden. Eine jeweilige Federspannung der drei Federbolzen 9a, 9b, 9c ist mittels einer jeweils an einem Ende der drei Federbolzen 9a, 9b, 9c angeordneten Mutter 11a, 11b, 11c einstellbar, wobei jeweils zwischen den drei Muttern 11a, 11b, 11c und den Federn 13c der drei Federbolzen eine Unterlegscheibe 12a, 12b, 12c angeordnet ist. Die Unterlegscheiben 12a, 12b, 12c sind aus einem thermisch schlecht leitenden Material. Die Federbolzen 9a, 9b, 9c sind zusätzlich noch von einer thermischen Isolierung umschlossen. Ein jeweiliges der Muttern 11a, 11b, 11c gegenüberliegendes Ende der Federbolzen 9a, 9b, 9c kann an einer Oberfläche zur Befestigung der Vorrichtung 1 befestigt werden, vorzugsweise mittels eines Klebemittels.The container 3 also has funds 9 for adjusting a distance between a thermal pad 10 of the thermal energy storage 2 and a first outer surface of the thermoelectric generator (see 2 ), In this embodiment, the thermal pad 10 is the base surface of the hemispherical container. The means 9 To set a distance include three spring bolts 9a . 9b . 9c , which are arranged on the outside of the base surface such that the three spring bolts 9a . 9b . 9c form three points of an isosceles triangle. A respective spring tension of the three spring bolts 9a . 9b . 9c is by means of one at each end of the three spring bolts 9a . 9b . 9c arranged mother 11a . 11b . 11c adjustable, each between the three nuts 11a . 11b . 11c and the springs 13c the three spring bolts a washer 12a . 12b . 12c is arranged. The washers 12a . 12b . 12c are made of a thermally poorly conductive material. The spring bolts 9a . 9b . 9c are additionally enclosed by a thermal insulation. A respective one of the nuts 11a . 11b . 11c opposite end of the spring bolt 9a . 9b . 9c may be attached to a surface for attachment of the device 1 be fastened, preferably by means of an adhesive.

Der thermische Energiespeicher 2 weist ferner Mittel 14 zum Aufnehmen einer thermischen Volumenänderung des Fluids auf, welche hier einen Faltenbalg 15 umfassen. Der Faltenbalg 15 ist in die Innenwand 4a in Äquatornähe der Halbkugel integriert. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Außenwand 4b weitere Mittel (nicht gezeigt) zum Aufnehmen einer thermischen Volumenänderung aufweist. Vorzugsweise kann ein weiterer Faltenbalg (nicht gezeigt) in die Außenwand 4b integriert sein. So ist es in vorteilhafter Weise ermöglicht, auch eine thermische Volumenänderung eines zwischen die Außenwand 4b und die Innenwand 4a angeordnetes weiteren Fluids aufzunehmen und so strukturelle Schäden an dem Behälter zu vermeiden.The thermal energy storage 2 also has funds 14 for receiving a thermal volume change of the fluid, which here is a bellows 15 include. The bellows 15 is in the inner wall 4a integrated near the equator near the hemisphere. It can also be provided that the outer wall 4b further means (not shown) for receiving a thermal volume change. Preferably, another bellows (not shown) in the outer wall 4b be integrated. That's the way it is advantageously also allows a thermal volume change of a between the outer wall 4b and the inner wall 4a to accommodate arranged further fluid and so to avoid structural damage to the container.

2 zeigt die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 in einer seitlichen Querschnittsansicht, wobei der Übersicht halber einige in 1 gezeigte Elemente nicht gezeigt sind. Gezeigt ist dafür ein thermoelektrischer Generator 16 mit einer ersten Außenfläche 17a und einer zweiten Außenfläche 17b. Der thermoelektrische Generator 16 ist symmetrisch ausgebildet, dass heißt, dass sowohl die erste Außenfläche 17a als auch die zweite Außenfläche 17b flächig anliegen können. Die erste Außenfläche 17a liegt an der thermischen Anschlussfläche 10 des thermoelektrischen Energiespeichers 2 flächig an. Die zweite Außenfläche 17b ist thermisch an eine Umgebung der Vorrichtung 1 angekoppelt. Wenn nun der thermische Energiespeicher 2 eine Energiespeichertemperatur aufweist, welche verschieden von einer Umgebungstemperatur ist, so wird zwischen der ersten Außenfläche 17a, welche ja thermisch an den thermischen Energiespeicher 2 gekoppelt ist, und der zweiten Außenfläche 17b ein Temperaturgradient entstehen und folglich wird der thermoelektrische Generator 16 elektrische Energie erzeugen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der thermoelektrische Generator 16 aus mehreren Peltierelementen 16a gebildet. Die Peltierelemente weisen metallische Kontaktflächen auf, wobei diese zumindest teilweise in die erste Außenfläche 17a und die zweite Außenfläche 17b des thermoelektrischen Generators 16 integriert sind. 2 shows the in 1 shown device 1 in a side cross-sectional view, with the sake of clarity some in 1 shown elements are not shown. Shown is a thermoelectric generator 16 with a first outer surface 17a and a second outer surface 17b , The thermoelectric generator 16 is formed symmetrically, that is, that both the first outer surface 17a as well as the second outer surface 17b can lie flat. The first outer surface 17a lies at the thermal connection surface 10 of the thermoelectric energy storage 2 flat on. The second outer surface 17b is thermally to an environment of the device 1 coupled. If now the thermal energy storage 2 has an energy storage temperature which is different from an ambient temperature, so is between the first outer surface 17a , which yes thermally to the thermal energy storage 2 coupled, and the second outer surface 17b a temperature gradient arise and consequently the thermoelectric generator 16 generate electrical energy. In the embodiment shown here is the thermoelectric generator 16 from several Peltier elements 16a educated. The Peltier elements have metallic contact surfaces, these at least partially into the first outer surface 17a and the second outer surface 17b of the thermoelectric generator 16 are integrated.

3 zeigt die in den 1 und 2 gezeigte Vorrichtung 1 eingebaut in einem doppelwandigen Flugzeugrumpf 18. Der doppelwandige Flugzeugrumpf 18 weist eine Rumpfinnenwand 19 und eine Rumpfaußenwand 20 auf. Zwischen der Rumpfaußenwand 20 und der Rumpfinnenwand 19 ist ein Rumpfzwischenraum 21 gebildet, in welchem die Vorrichtung 1 angeordnet ist. Hierbei ist die zweite Außenfläche 17b des thermoelektrischen Generators 16 mit einer Innenseite der Rumpfaußenwand 20 mittels einer thermischen Leitschicht 23 verbunden. Die thermische Leitschicht 23 ist vorzugsweise als ein Wärmeleitpad ausgebildet. Beispielsweise umfasst die thermische Leitschicht 23 auch Klebemittel, insbesondere einen Metall-Metall-Kleber oder einen Epoxid-Harz-Kleber. Die thermische Leitschicht 23 kann vorzugsweise auch eine Wärmepaste umfassen. So ist zum einen eine effektive thermische Ankopplung an die Innenseite der Rumpfaußenwand 20 und damit einhergehend auch an die Umgebung des Flugzeugs erreicht. Zum anderen wird auch eine sichere Befestigung an der Innenseite der Rumpfaußenwand 20 gewährleistet. Weiterhin ist eine jeweilige der Innenseite der Rumpfaußenwand 20 zugewandten Unterseite der Federbolzen 9a, 9b, 9c an die Innenseite mittels einer Klebeschicht 22 geklebt, beispielsweise mittels der vorgenannten Klebemittel. Hier ist zu beachten, dass die Klebeschicht 22 eine schlechte thermische Leitfähigkeit aufweist, so dass die Federbolzen 9a, 9b, 9c thermisch von der Rumpfaußenwand entkoppelt sind. Da die Federbolzen 9a, 9b 9c ferner auch von einer thermischen Isolierung (nicht gezeigt) umschlossen sind, sind somit die Federbolzen 9a, 9b, 9c thermisch komplett von der Umgebung abgekoppelt. Die in dem thermischen Energiespeicher 2 gespeicherte thermische Energie kann so zwangsläufig nur über die thermische Anschlussfläche 10 und über den thermoelektrischen Generator 16 übertragen werden, das heißt, dass ein thermischer Kurzschluss zwischen den Federbolzen 9a, 9b 9c und dem thermischen Energiespeicher 2 bzw. dem thermoelektrischen Generator 16 vermieden wird. Die zweite Außenfläche 17b des thermoelektrischen Generators 16 wird dann mittels der Federbolzen 9a, 9b, 9c an die Innenseite der Rumpfaußenwand 20 gepresst, so dass ein guter thermischer Kontakt zwischen einer Umgebung des Flugzeugs und der zweiten Außenfläche entsteht. Die Vorrichtung ist dabei sehr kompakt gebaut und weist einen Durchmesser von wenigen Zentimetern auf. Hierdurch wird eine hohe Leistungsdichte ermöglicht, das heißt hohe Leistung bei geringer Größe und Masse. Sie dient im vorliegenden Fall der autarken Energieversorgung von (nicht gezeigten) Funksensornetzwerkknoten. Die Vorrichtung 1 lässt sich dabei leicht von außen montieren und demontieren, was eine kostengünstige Montage und Wartung ermöglicht. 3 shows the in the 1 and 2 shown device 1 installed in a double-walled fuselage 18 , The double-walled fuselage 18 has a fuselage inner wall 19 and a fuselage outer wall 20 on. Between the fuselage outer wall 20 and the inner wall of the hull 19 is a hull interval 21 formed in which the device 1 is arranged. Here is the second outer surface 17b of the thermoelectric generator 16 with an inside of the fuselage outer wall 20 by means of a thermal conductive layer 23 connected. The thermal conductive layer 23 is preferably formed as a Wärmeleitpad. By way of example, the thermal conductive layer comprises 23 also adhesive, in particular a metal-metal adhesive or an epoxy resin adhesive. The thermal conductive layer 23 may preferably also comprise a heat paste. So, on the one hand, an effective thermal coupling to the inside of the fuselage outer wall 20 and consequently also to the surroundings of the aircraft. On the other hand, a secure attachment to the inside of the fuselage outer wall 20 guaranteed. Furthermore, a respective one of the inside of the fuselage outer wall 20 facing underside of the spring bolts 9a . 9b . 9c to the inside by means of an adhesive layer 22 glued, for example by means of the aforementioned adhesive. Here it should be noted that the adhesive layer 22 has a poor thermal conductivity, so that the spring bolts 9a . 9b . 9c thermally decoupled from the outer wall of the fuselage. Because the spring bolts 9a . 9b 9c Furthermore, are also surrounded by a thermal insulation (not shown), thus the spring bolts 9a . 9b . 9c thermally decoupled from the environment. The in the thermal energy storage 2 stored thermal energy can thus necessarily only via the thermal pad 10 and over the thermoelectric generator 16 be transferred, that is, a thermal short circuit between the spring bolts 9a . 9b 9c and the thermal energy storage 2 or the thermoelectric generator 16 is avoided. The second outer surface 17b of the thermoelectric generator 16 is then by means of spring bolts 9a . 9b . 9c to the inside of the fuselage outer wall 20 pressed, so that a good thermal contact between an environment of the aircraft and the second outer surface is formed. The device is very compact and has a diameter of a few centimeters. As a result, a high power density is possible, that is, high performance with small size and mass. It serves in the present case, the self-sufficient power supply of (not shown) radio sensor network node. The device 1 can be easily assembled and disassembled from the outside, which enables cost-effective installation and maintenance.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtungcontraption
22: thermischer Energiespeicherthermal energy storage
33: Behältercontainer
4a4a: Innenwandinner wall
4b4b: Außenwandouter wall
55: Innenvolumeninternal volume
66: thermische Energieverteilungseinrichtungthermal energy distribution device
6a, 6b, 6c, 6d6a, 6b, 6c, 6d: Wärmeleitrippenheat-conducting
6e6e: Wärmeleitstabthermally conductive
77: Fluidanschlussfluid port
7a7a: VentilValve
7b7b: Dichtungpoetry
88th: Anschlussconnection
8a8a: Rohrpipe
9 9: Mittel zum Einstellen eines AbstandesMeans for adjusting a distance
9a, 9b, 9c9a, 9b, 9c: FederbolzenPlungers
1010: thermische Anschlussflächethermal connection surface
11a, 11b, 11c11a, 11b, 11c: Muttermother
12a, 12b, 12c12a, 12b, 12c: Unterlegscheibewasher
13c13c: Federfeather
1414: Einrichtung zum Aufnehmen einer thermischen VolumenänderungDevice for recording a thermal volume change
1515: Faltenbalgbellow
1616: thermoelektrischer Generatorthermoelectric generator
16a16a: PeltierelementPeltier element
17a17a: erste Außenflächefirst outer surface
17b17b: zweite Außenflächesecond outer surface
1818: Flugzeugrumpffuselage
1919: RumpfinnenwandHull planking
2020: RumpfaußenwandHull outer wall
2121: RumpfzwischenraumHull gap
2222: Klebeschichtadhesive layer
2323: thermische Leitschichtthermal conductive layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

GB 2441851 [0004]
US 6914343 [0005, 0006]
US 6624349 [0006]

Claims

Contraption ( 1 ) for generating electrical energy, comprising: - a thermal energy store ( 2 ) with a fluid, in particular a water-salt solution, for receiving thermal energy, wherein the thermal energy store ( 2 ) a thermal pad ( 10 ), - a thermoelectric generator ( 16 ), which has a first outer surface ( 17a ) and a second outer surface ( 17b ), wherein the thermoelectric generator ( 16 ) is configured to generate an electrical energy when between the first outer surface ( 17a ) and the second outer surface ( 17b ) a temperature gradient is applied, wherein the first outer surface ( 17a ) at the thermal interface ( 10 ) of the thermal energy store ( 2 ) so flat that a thermal connection between the first outer surface ( 17a ) and the thermal interface ( 10 ), characterized in that the thermal energy store ( 2 ) An institution ( 14 ) for receiving a thermal volume change of the fluid.

Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the device ( 14 ) for receiving a thermal volume change as an expansion joint, bellows ( 15 ), Body made of an elastic material, or is designed as a rubber ball.

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized by means ( 9 ) for adjusting a distance between the first outer surface ( 17a ) of the thermoelectric generator ( 16 ) and the thermal interface ( 10 ) of the thermal energy store ( 2 ).

Contraption ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the means ( 9 ) for setting a distance at least one spring bolt ( 9a ; 9b ; 9c ) with an adjustable spring tension.

Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal energy store ( 2 ) a container ( 3 ), in which the fluid is arranged.

Contraption ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the container ( 3 ) an outer wall ( 4b ) and one of the outer wall ( 4b ) spaced inner wall ( 4a ), wherein the inner wall has an internal volume ( 5 ), in which the fluid is arranged.

Contraption ( 1 ) according to claim 6, characterized in that between the outer wall ( 4b ) and the inner wall ( 4a ) a vacuum is formed.

Contraption ( 1 ) according to claim 6, characterized in that between the outer wall ( 4b ) and the inner wall ( 4a ) Another fluid, in particular argon, is introduced for thermal insulation.

Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that within the thermal energy store ( 2 ) a thermal energy distribution device ( 6 ) configured to reduce temperature gradients in the fluid.

Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the device comprises a regulating device which is configured in such a way that the means ( 9 ) to set a distance.

Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal energy store ( 2 ) is hemispherical or spherical.

Use of a device ( 1 ) according to one of claims 1 to 11 in a vehicle, in particular an aircraft or a submersible vehicle, which passes through a height change of several hundred meters.

Use of a device ( 1 ) according to one of claims 1 to 11 in an autonomous radio sensor, in particular in a radio sensor network of an aircraft.

A method of generating energy, the method comprising the steps of: - providing a device ( 1 ) according to one of claims 1 to 11, - providing a temperature gradient between the first outer surface ( 17a ) and the second outer surface ( 17b ) of the thermoelectric generator ( 16 ) by thermal energy the thermal energy storage ( 2 ) is supplied or removed and / or a temperature change at the second outer surface ( 17b ) of the thermoelectric generator ( 16 ) is effected.