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Die Erfindung betrifft ein Systems zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, wobei das System in einem ersten Raum angeordnet ist, der mittels einer Isolierung gegenüber einem zweiten Raum thermisch isoliert ist, wobei im zweiten Raum ein fluides Medium vorhanden ist, welches thermische Energie beinhaltet und zwischen erstem und zweitem Raum zumindest eine Zuleitung vorhanden ist, über die das fluide Medium einer Wärmepumpe zuführbar ist und zwischen erstem und zweitem Raum zumindest eine Ableitung vorhanden ist, über die die Abwärme der Wärmepumpe in den zweiten Raum abführbar ist, wobei die erzeugte Nutzwärme der Wärmepumpe zumindest einer Heißgasseite eines Stirlingmotors zuführbar ist, der mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antriebsverbunden ist.
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Aus der
DE 10 2007 017 663 A1 ist eine Anordnung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie offenbart. Diese Anordnung umfasst bereits einen Stirlingmotor mit zumindest zwei Zylindern, die mit einer Wärmepumpe gekoppelt sind. Mindestens einer der Zylinder oder ein Zylinderkopf ist in einem von der Wärmepumpe erhitzten Wärmemedium und mindestens ein weiterer Zylinder oder ein Zylinderfuß in einem von der Wärmepumpe gekühlten Kältemedium gelagert.
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Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, ein System zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, welches einen noch besseren Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein System zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Der Erfinder hat erkannt, dass es möglich ist, den thermischen Wirkungsgrad eines System zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie bestehend aus einer Wärmepumpe und einem Stirlingmotor weiter zu verbessern, wenn das System gegenüber der Umgebung thermisch isoliert ist und die Abwärme der Kaltgasseite des Stirlingmotors zur Vorwärmung des fluiden Mediums dient, welches der Wärmepumpe zugeführt wird.
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Aus den gewonnenen Erkenntnissen heraus schlägt der Erfinder vor ein System zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, wobei das System in einem ersten Raum angeordnet ist, der mittels einer Isolierung gegenüber einem zweiten Raum thermisch isoliert ist, wobei im zweiten Raum ein fluides Medium vorhanden ist, welches thermische Energie beinhaltet und zwischen erstem und zweitem Raum zumindest eine Zuleitung vorhanden ist, über die das fluide Medium einer Wärmepumpe zuführbar ist und zwischen erstem und zweitem Raum zumindest eine Ableitung vorhanden ist, über die die Abwärme der Wärmepumpe in den zweiten Raum abführbar ist, wobei die erzeugte Nutzwärme der Wärmepumpe zumindest einer Heißgasseite eines Stirlingmotors zuführbar ist, der mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antriebsverbunden ist, dahingehend zu verbessern, dass eine Kaltgasseite des Stirlingmotors mit einem Wärmetauscher verbunden ist, wobei der Wärmetauscher innerhalb der Zuleitung angeordnet ist.
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Es ist von Vorteil, wenn in der Zuleitung und/oder der Ableitung zumindest ein thermisch isoliertes Ventil angeordnet ist. Das Ventil in der Zuleitung bewirkt, dass das Fluid nur vom zweiten Raum in den ersten Raum fließen kann und keine thermische Energie vom ersten in den zweiten Raum verloren geht.
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Die Ableitung kann an ein Klimasystem eines Gebäudes angeschlossen sein. Hierdurch kann im Sommer die abgekühlte Luft der Wärmepumpe einer Lüftungsanlage zugeführt werden um somit kostenlos ein Haus abkühlen.
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Der Stirlingmotor kann als γ–Typ [Gamma-Typ] ausgebildet sein. Der Wirkungsgrad des Stirlingmotors kann theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad erreichen.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Generator eine elektrische Verbindung zur Wärmepumpe aufweist. Hierdurch kann das geschlossene System der Wärmepumpe und des Stirlingmotors nur durch die Energie der umgebenden Luft oder des Umgebenden Wassers angetrieben werden.
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Der Stirlingmotor kann zumindest einen Arbeitskolben und einen Verdrängerkolben aufweisen, wobei der Verdrängerkolben als Käfig aufgebaut ist, dessen Innenraum mit Metallwolle, vorzugsweise Kupferdraht, gefüllt ist.
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In einer weiteren Ausführung ist der erste Raum durch einen Teil eines Gebäudes oder das Gesamtgebäude gebildet und die Isolierung aus dem Mauerwerk des einen Teils oder des gesamten Gebäudes gebildet. Das System zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie kann somit als Stromaggregat bzw. als Klimaanlage im Haus eingesetzt werden.
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Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1: Prinzipschema eines Systems zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie,
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2a: Seitenansicht eines Verdrängerkolbens für einen Stirlingmotor,
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2b: Ansicht auf den Kolbendeckel des Verdrängerkolbens aus 2a,
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3: Reihenschaltung von vier Stirlingmotoren;
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Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben.
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Die 1 zeigt ein Prinzipschema eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Systems zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie. In einem Außenraum 1 befindet sich ein erstes gasförmiges oder flüssiges fluides Medium, welches thermische Energie gespeichert hat. Bei dem Außenraum 1 kann es sich um die Umgebung eines Gebäudes handeln und das Fluid kann beispielsweise die Umgebungsluft oder aber auch Wasser eines Flusses sein.
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Ein Innenraum 2, in dem sich ebenfalls ein gasförmiges oder flüssiges fluides Medium befindet, ist mittels der Isolierung 3 gegenüber dem Außenraum 1 thermisch isoliert. Beim Innenraum 2 kann es sich beispielsweise um einen Raum eines Gebäudes oder um das Gesamtgebäude handeln. Über eine Zuleitung 4 kann das fluide Medium des Außenraumes 1 einer Wärmepumpe 7 zugeführt werden. Über eine Ableitung 5 kann die Wärmepumpe 7 ein fluides Medium, Wasser oder Luft, mit geringerer thermischer Energie, als die thermische Energie des über die Zuleitung 4 zugeführten fluiden Mediums, an den Außenraum 1 ableiten.
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Unter Wärmepumpe 7 im Sinne dieser Anmeldung versteht man eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur, in der Regel ist das die Umgebung, aufnimmt und zusammen mit der Antriebsenergie als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur, zum Beispiel Raumheizung, überträgt. Der verwendete Prozess ist im Prinzip die Umkehrung eines Wärme-Kraft-Prozesses, bei dem Wärmeenergie mit hoher Temperatur aufgenommen und teilweise in mechanische Nutzarbeit umgewandelt und die Restenergie bei niedrigerer Temperatur als Abwärme abgeführt wird, meist an die Umgebung. Das Prinzip der Wärmepumpe 7 verwendet man auch zum Kühlen, obwohl man den Begriff „Wärmepumpe” meist nur für das Heizaggregat verwendet. Beim Kühlprozess ist die Nutzenergie die aus dem zu kühlenden Raum aufgenommene Wärme, die zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung abgeführt wird.
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Wärmepumpen 7 werden in der Regel mit Fluiden betrieben, die bei niedrigem Druck durch die Wärmezufuhr verdampfen und nach der Verdichtung auf einen höheren Druck unter Wärmeabgabe wieder kondensieren. Die Drücke werden so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenwechsels einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen der Wärmequelle bzw. Wärmesenke haben. Je nach verwendetem Fluid sind diese Drücke unterschiedlich.
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Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe stellt den Hauptanwendungsfall von Wärmepumpen 7 dar. Das Kältemittel wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Es wird von einem Verdichter angesaugt, verdichtet und dem Verflüssiger zugeführt. Der Verflüssiger ist ein Wärmeübertrager in dem die Verflüssigungswärme an ein Fluid, zum Beispiel an einen Warmwasserkreis oder an die Raumluft, abgegeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird dann zu einer Entspannungseinrichtung geführt, Kapillarrohr oder thermisches Expansionsventil. Durch die adiabate Entspannung wird das Kältemittel abgekühlt. Der Saugdruck wird durch die Regelung des Verdichters in der Wärmepumpe 7 so eingestellt, dass die Sattdampftemperatur des Kältemittels unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. In dem Verdampfer wird somit Wärme von der Umgebung an das Kältemittel übertragen und führt zum Verdampfen des Kältemittels. Als Wärmequelle kann die Umgebungsluft oder ein Solekreis genutzt werden, der die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt. Das verdampfte Kältemittel wird dann von dem Verdichter angesaugt.
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Zum Anlaufen des Systems zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie kann die Wärmepumpe 7 aus dem Stromnetz gespeist werden oder von einem Akkumulator (nicht in 1 dargestellt) und erzeugt durch entnehmen der Wärme aus dem fluiden Medium des Außenraumes 1 Nutzwärme. Diese abgeführte Wärmemenge 7.1 wird einem Stirlingmotor 8 zugeführt, welcher mit geringen Wärmeunterschieden ab ca. 30°C schon seine Arbeit aufnimmt. Dieser Stirlingmotor 8 wird auf der kühleren Seite ebenfalls mit einer frostsicheren Flüssigkeit gekühlt. Über die Zufuhr 7.2 vom Stirlingmotor kann eine bestimmte Wärmemenge wieder der Wärmepumpe 7 zugeführt werden. Die Abwärme 8.1 des Stirlingmotors 8 wird einem Wärmtauscher 6 zugeführt, welcher in der Zuleitung 4 vom Außenraum 1 angeordnet ist. Somit kann das vom Außenraum angesaugte fluide Medium quasi vorgeheizt werden. Dadurch ist gewährleistet, dass auch bei tieferen Außentemperaturen dieser Prozess funktioniert. Vom Wärmetauscher 6 wird über die Zufuhr 8.2 Kühlmenge zum Stirlingmotor 8 transportiert.
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Ein kombinierter Generator/Elektromotor 9 wird vom Stirlingmotor 8 angetrieben. Ein Teil der elektrischen Leistung des Generators/Elektromotors 9 wird verwendet, um die benötigte elektrische Energie über die elektrische Leitung 9.1 der Wärmepumpe 7 zur Verfügung zu stellen. Bei erreichen der nötigen Betriebsspannung wird die Wärmepumpe 7 automatisch vom Stromnetz bzw. vom Startakkumulator getrennt und mit der internen, selbst erzeugten elektrischen Energie des Generators/Elektromotors 9 versorgt. Je nach thermischer Energie kann ein weiterer Teil der elektrischen Leistung des Generators/Elektromotors 9 in ein Stromnetz eingespeist werden.
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Nun ist es möglich, aus diesem Kreislauf je nach Bedarf die verschiedenen Energiearten abzugreifen. Beispielsweise kann im Sommer die abgekühlte Luft in der Ableitung 5 der Wärmepumpe 7 einer Lüftungsanlage zugeführt werden, um somit kostenlos ein Haus abzukühlen. Gleichzeitig kann das gesamte erhitzte Wasser zum Stirlingmotor 8 geleitet werden und den dadurch erzeugten Mehrstrom für die eigene Versorgung zu nutzen oder diesen Strom mit Hilfe einer Einspeisungseinheit dem Stromnetz zugeführt werden.
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Die 2a zeigt eine Seitenansicht eines Verdrängerkolbens 10 für einen Stirlingmotor 8. Der Verdrängerkolben 10 bestehend aus einer Kolbenstange 10.1, einem Kolbenzylinder und zwei Kolbendeckel 10.2, welche mit großen Löchern versehen sind. Die Innenseiten der Kolbendeckel 10.2 sind mit einer Füllung 10.3, vorzugsweise Metallwolle, versehen. Ein Verdrängungskolben 10 mit großem Bohrung und geringem Hub ist dabei besonders vorteilhaft. Für einen raschen Temperaturaustausch ist der Verdrängerkolben 10 in der Ausführung als Käfig, gefüllt mit Metallwolle, eine praktikable Lösung. Als Material für die Metallwolle ist wohl Kupfer ein ideales Element.
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Die 2b zeigt eine Ansicht auf den Kolbendeckel 10.2 des Verdrängerkolbens 10 aus 2a. Der Kolbendeckel 10.2 hat mehrere Löcher 10.4, wodurch das Arbeitsgas gesteuert wird, indem es durch den Verdrängerkolben 10 und die Metallwolle gedrückt wird.
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Die Innenseite der Kolbendeckel 10.2 sind mit einem Drahtgeflecht (nicht in 2b dargestellt) versehen, um das Herausfallen der Metallwolle durch die Löcher 10.4 zu verhindern.
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Die 3 zeigt eine Reihenschaltung von vier Stirlingmotoren 8, wie sie in dem System zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie angeordnet sein können. Um auch bei einem niedrigen Temperaturunterschied funktionieren zu können, sind mehrere hintereinander geschaltete Stirlingmotoren 8 günstig. In 3 sind vier Stirlingmotoren 8, welche jeweils durch eine Kurbelwelle 12 um 90° in ihrer Funktion verschoben sind, hintereinander geschaltet. Auch der Arbeitskolben 11 und der Verdrängerkolbens 10 des jeweiligen Stirlingmotors sind um 90° zueinander versetzt.
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Bei den Stirlingmotoren 8 handelt es sich vorzugsweise um den Gamma-Typ, bei dem Arbeitskolben 11 und Verdrängerkolben 10 in verschiedenen miteinander verbundenen Zylindern untergebracht sind.
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Die Stirlingmotoren 8 haben typischerweise einen permanent heißen Raum, in den die Wärmemenge 7.1 zugeführt und über 7.2 abgeführt wird. Weiterhin haben die Stirlingmotoren aus 3 einen permanent kalten Raum (8.1 und 8.2), zwischen denen das Arbeitsgas durch den Verdrängerkolben 10 hin und her bewegt wird. Über die Isolierung 13 werden der heiße und der kalte Raum thermisch getrennt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Außenraum
- 2
- Innenraum
- 3
- Isolierung
- 4
- Zuleitung
- 5
- Ableitung
- 6
- Wärmetauscher
- 7
- Wärmepumpe
- 7.1
- Abgeführte Wärmemenge
- 7.2
- Zufuhr vom Stirlingmotor
- 8
- Stirlingmotor
- 8.1
- Abwärme
- 8.2
- Zufuhr Kühlmenge
- 9
- Generator/Elektromotor
- 9.1
- Elektrische Leitung
- 10
- Verdrängerkolben
- 10.1
- Kolbenstange
- 10.2
- Kolbendeckel
- 10.3
- Füllung Verdrängerkolben
- 10.4
- Loch
- 11
- Arbeitskolben
- 12
- Kurbelwelle
- 13
- Isolierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007017663 A1 [0002]
