DE102009060998A1 - Thermoelektrischer Generator mit einer Wärmepumpe - Google Patents

Abstract

Der thermoelektrische Generator TEG-WP erzeugt effizient elektrischen Strom aus der Wärmeenergie im geschlossenen Kältemittelkreislauf eines Wärmepumpen-Systems bei hoher Temperaturdifferenz ΔT der Warm- und Kaltseiten in einem Heiz- oder Kühlsystem. Die dazu aufgenommene Umwelt- oder Abwärmeenergie wird über ein Wärmepumpen-System in einen Arbeitsmittelkreislauf übertragen, bzw. es kann auch die Wärmeenergie aus der zugeführten Primärenergie zur Wärmepumpe direkt genutzt werden. Die Wärmepumpe erzeugt dann die notwendig hohe Temperaturdifferenz ΔT in einem Kondensator-Verdampfer-System zur effizienten Stromerzeugung. Der so erzeugte umweltfreundliche elektrische Gleichstrom kann dann nach Umwandlung in Wechselstrom im System selbst genutzt oder direkt in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Dieser Strom kann aber auch zu variablen Kühlzwecken aller Art eingesetzt werden, z. B. statt Strom zur Kühlung von Gebäuden über Klimaanlagen aus dem Netz zu verbrauchen, kann umgekehrt durch Nutzung von Umweltwärme das Gebäude durch Wärmeenergieentzug gekühlt und gleichzeitig Strom ins Netz zurückgespeist werden. Auch nutzlose Abwärme kann zur Kühlung von zentralen Wärmeprozessanlagen oder Computergroßanlagen ökologisch direkt wieder in nutzvollen Strom umgewandelt werden. Mit dem Einsatz des TEG-WP und einer Brennstoffzelle ist außerdem ein optimaler Nennlast-Dauerbetrieb mit einer Stromleistung für den ausreichenden Wärme- und Kühlenergiebedarf eines Ein- oder ...

Description

• 1. Bedeutungen und Erklärungen zu 1 bis 6

• Q1

  Einganswärmeenergiefluss Gas, Flüssigkeit: z. B. Wasser von Solarkollektoren, Sole Wasser, Abwärmeluft von Motoren, Maschinen, Gebäuden, oder Geothermie Energiequelle: Erdreich, Wasser, Luft aller Art (Wärmeentzug durch Kühlung) Die Energiegewinnung erfolgt über direkte oder indirekte Arbeitsmittel.

  Q2

  Ausgangswärmeenergiefluss: z. B. abgekühlter Wasserfluss, gekühlte Abwärmeluft, Gebäudekühlung, Kühlkreisläufe aller Art durch Energieentzug des Kühlmediums.

  Q3

  Nutzbare aufgenommene Umweltenergiemenge aus der Wärmeaufnahmeeinheit (1) (Wärmetauscher/Verdampfer) Q3 = Q1 – Q2, (Q3 = Q3' bei Sonnenenergienutzung)

  Q3'

  Wärmestrahlungsenergie der Sonne, z. B. indirekte Umwandlung über Vakuum-Röhrenkollektoren, Solarabsorber, oder Sonnenbestrahlung externer Verdampfer

  Q4

  Energiefluss am Ausgang des Druckreduzierventils (4) im Arbeitmittelkreislauf oder Kältemittelkreislauf (8) mit t7 und p3

  Q5

  Energiefluss zum Verdichter (3): zum elektrischen Kompressor (3a), bzw. zum thermischen Verdichter (3b) zur Energieaufnahme des Arbeitsmittels (dampfförmig) mit t6: 1, 3 u. 5 Q5 = Q8 + Q9 2 u. 4 Q5 = Q9 + Q3 + Q4

  Q5'

  Erhöhter Energiefluss zur Wärmepumpe vorwiegend während der Winterzeit aktiv Q5' = Qbw + Q5 5

  Q6

  Erhöhter Energiefluss nach dem Verdichter mit hohem t3 und p1 (ohne Verluste) 1, 2 u. 5 Eingangsenergie zur Warmseite der Thermomodule (2a) 3 u. 4 Eingangsenergie zur Warmseite des Kondensator- oder WT (6) 1 u. 2 Q6 = Q5 + Qext 3 u. 4 Q6 = Q5 + Qext – Q11

  Q7

  Ausgangsenergiemenge der Warmseite nach dem TEG-WP (2a) nur 1, 2 u. 5 Q7 = Q6 – Q10

  Q8

  Eingangsenergie der TEG-WP Kaltseite des Blockwärmetauschers (2) mit t9

  Q9

  In den Wärmepumpen-Kreislauf zurückgeführte wieder genutzte Wärmeenergie: Energierückgewinnung aus der Kaltseite (Energieentzug): 1, 3 u. 5 Q9 = Q5 – Q8 2 u. 4 Q9 = Q8' – Q8

  Q10

  Umgesetzte elektrische Energie in den Thermomodulen ohne Übertragungsverluste: 1 Δtmax = t3 – t6 2, 5 Δtmax = t3 – t5 3 Δt = t8 – (t9 + t6)/2 4 Δt = t8 – (t9 + t5)/2 Warmseite: 1, 2 u. 5 Q10 = Q6 – Q7 3 u. 4 Q10~Q11

  Q11

  Übertragungsenergie im zentralen Wärmeblock (11) nur in 3 u. 4 zum TEG-WP (2), Zur Stromerzeugung ist das Funktionsprinzip C u. D nur mit einer Heizungsanlage bzw. einer Wärmeabgabe Q13 (auch ohne Umwelt/Abwärme-Energieaufnahme Q3) möglich.

  Q12

  Reduzierter Energiefluss nach Kondensator/WT(6) mit t4, reduziert durch abgegebene Nutzenergie infolge Verflüssigung des Arbeitsmittels vor dem Expansionsventil (4)

  Q13

  Nutzbare abgegebene Wärme (z. B. Luft/Wasserheizung oder Warmwasseraufbereitung)

  Q14

  Nutzbare Wärmeenergie des TEG-WP für die elektrische Wirkleistung (7) mit R_L als symbolischen Verbraucher (systemintern genutzt, oder Netzstromeinspeisung, 220V~)

  Qext

  Extern zugeführte Primärenergie: für 3a elektrischer Energiebedarf des Kompressors 3b u. 13 Energieinhalt des zugeführten Brennstoffes (Heizöl, Erdgas, Biogas)

  Qab

  Genutzte Abgasenergie des gasbetriebenen thermischen Verdichters zur Nutzung der Verbrennungsluftvorwärmung (Brennwerttechnik)

  Qbz

  Genutzte abgegebene Gesamtwärmeenergie der Brennstoffzelle (z. B. 3 kW) zur indirekten, verlustarmen Wärmeenergieeinspeisung für den thermischen Verdichter (z. B. in 5 zum Austreiber einer Absorptions-Wärmepumpe)

  Qbw

  Abgezweigte Energiemenge während der Winterheizperiode zur Wärmepumpe für den erhöhten Wärmebedarf bei sehr niedriger Außentemperatur (z. B. < 0°C) oder einer geringen Umweltenergieaufnahme Q3

  Qbel

  Elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle (z. B. 1 kW) mit Rb in (5) zur ganzjährigen Stromerzeugung für die systemeigene Grundlast oder zur Netzeinspeisung

• 2. Gerätebeschreibung (Bezugszeichenliste)

1

Wärmeaufnahmeeinheit: 1a: indirekt, Verdampfer WT aller Art Vakuumröhrenkollektor, Temperaturerhöhungseinheit, Solarpanelabsorber, Abluft-Wärmetauscher für Gebäudeklimatisierungen, Computerzentralanlagen, Geothermie-Systeme 1b: direkt, Verdampfer WT vom Erdreich, Wasser oder Luft (Energienutzung) z. B. auch direkte Nutzung der Wärmestrahlungsenergie der Sonne 1c: Betriebsmodus, wenn keine Umwelt/Abwärme-Energie genutzt werden soll

2

TEG-WP (Es gibt zwei unterschiedliche Ausführungsformen): 1, 2 u. 5 WT Block. Einseitige Moduleinheit im Gegenstromprinzip. Der Kondensator 2a und der Verdampfer/Absorber 2b sind in einer Baueinheit wärmeisoliert fest zusammengebaut und als Flüssigkeits-WT aufgebaut. 3 u. 4 Doppelseitiger WT Block. Moduleinheit mit zentralem Wärmeübertragungsblock für die Warmseiten 2a. Die Kaltseiten 2b werden parallel gleichförmig durchflossen und sind als Fest-Flüssigkeits-WT aufgebaut.

3

Energieaufnahme/Umwandlungssystem (z. B. Verdichtersystem oder Brennstoffzelle) 3a Motorisch elektrisch angetriebener Kompressor für das Kältemittel/Arbeitsmittel 3b Thermisches Gas-Verdichtersystem mit Austreiber 3c und Absorber 3d Symbolische Darstellung (z. B. als Arbeitsmittel: NH₃ oder LiBr im Vakuum, und Wasser als Lösungsmittel).

4

Expansionsventil/Druckreduzierventil

5

Thermoelectric Generator module (z. B. TEG, TEP Thermo-Electric-Power module, Thallium-doped Lead Telluride) für Ri (u. Rb) als vereinfachte symbolisch Darstellung

6

Kondensator/WT für die Nutzwärmeabgabe (z. B. Heizungs-Warmwasseranlage)

7

Sinnbildlicher Ohmscher Lastwiderstand, R_L als Verbraucher mit Netzstromanschluss, Wechselrichter für 220 Volt (max. elektrische Leistung bei Ri = R_L)

8

Kältemittelkreislauf/Arbeitsmittelkreislauf nach (4), auch zur direkten Wärmerückführung des Energieentzuges Q9 der TEG Kaltseiten in 1, 3 u. 5

9

Indirekter Prozesskühlkreislauf zur Energierückgewinnung Q9, nur in 2 u. 4 zur Aufrechterhaltung der Temp. Differenz Δt mit einer Umwälzpumpe (p)

10

Wärmetauscher (Verdampfer) für die indirekte Energie-Rückgewinnung Q9 zur Kühlung (Energieentzug) der TEG-WP Module, nur 2 u. 4 Q9 = Q8' – Q8

11

Wärmeübertragungseinheit (wärmeisoliertes Cu-System für verlustarme Wärmezufuhr) Nutzenergieübertragung zur zentralen TEG-Kernwarmseite (2) mit t8 (t8max ~500°C), nur 3 u. 4.

12

Brennstoffzelle: (z. B. Hochtemp. -Brennstoffzellentyp: SOFC Solid Oxide Fuel Cell)

13

Reformer zur Erzeugung des benötigten reinen Wasserstoffes H₂ für die emissionsarme und lautlose Brennstoffzelle. (s. 5)

14

Wärmetauscher zur Einkoppelung der Energiemenge Qbw in den Arbeitsmittelkreislauf der Absorptions-Wärmepumpe (z. B. 1 kW im Winterbetrieb zur Leistungserhöhung).

15

Dreiwegeventil zur Umschaltung des Wasserkreislaufes für den Wärmetauscher (14) zur Nutzung der Restwärmeenergie Qbw aus dem WP-Austritt vom Austreiber 3c in 5

• 3. Erklärung der Arbeitsfunktionen (zu A bis E)
• 3.1 Wärmeaufnahmeeinheit/Verdampfer (1)
• Die Wärmeenergiemenge Q3 wird dem Eingangsenergiefluss Q1 entzogen und über die Wärmeaufnahmeeinheit (1) in den Kühlmittelkreislauf (8) indirekt 1a oder direkt 1b zur Erzeugung eines überhitzten Gases (Dampft) mit Q5 u. hoher Zustandstemperatur t6 übertragen. Zur Temperaturerhöhung (Enthalpie) von t6 des Arbeitsmittels kann auch direkt die Wärmestrahlungsenergie der Sonne Q3' im Modus 1b aufgenommen werden.
• 3.2 Doppel-Block-Wärmetauscher, TEG-WP Modulsystem (2)
• In 1, 2 u. 5 Funktionsprinzip A, B u. E sind im Wärmetauscher WT der Kondensator 2a und der Absorber 2b in einer integrierten Funktionseinheit zusammengefasst und als Blockwärmetauscher mittenschichtig mit den Thermomodulen fest montiert.
• In 3 u. 4 Funktionsprinzip C und D sind die Warmseiten des TEG-WP doppelt auf einem zentralen Cu-Block beidseitig montiert zur Minimierung der Abstrahlverluste. Durch Kontaktwärmeübertragung (Konvektion) wird die Nutzenergie Q10 an die thermischen Halbleiterbauelemente (5) zu gleichen Teilen symmetrisch abgegeben. Die Warm- bzw. Kaltseiten des WT werden in Funktion A, B u. E, (d. h. die Aufnahmeflächen der Thermomodule) warmseitig vom Arbeits-, oder Kältemittels (2a), und kaltseitig vom gleichen Arbeitsmittel im Absorber (2b) im Gegenstromprinzip durchströmt, und dadurch immer auf die für den TEG-WP erforderlich hohe Temperaturdifferenz von Δt (max ~180°C) gehalten (max. elektr. Leistung ~500 W). Im Betriebsmodus C und D werden die Kaltseiten parallel mit gleichförmigen Temperaturgefälle vom Arbeits/Kühlmittel im TEG-WP (2) durchströmt, wobei die Warmseiten die Nutzenergie zentral direkt vom Wärmeleitblock mit hoher Temp.-Differenz abnehmen Δt (Δt max ~500°C, max. elektr. Leistung ~800 Watt). Durch die besondere Konstruktion des filigranen Wärmetauscheraufbaues mit sehr planen Wärmeübertragungsflächen (sehr guter Wärmeleitwert λ = 400) ist eine gute Wärmeübertragung, und damit eine verlustarme Stromerzeugung, gewährleistet. Im TEG-WP Blocksystem sind alle einzelnen TEG-Modulelemente vollständig eng aneinander zusammengefasst und allseitig geschlossen abstrahlungsarm aufgebaut. Durch diese Bauweise und durch die direkte oder indirekte Energierückgewinnung der Kaltseiten im gleichen Wärmeprozesskreislauf wird das neue und effiziente Funktion-, und. Arbeitsprinzip des TEG-WP Generators mit einer Wärmepumpe im Wesentlichen charakterisiert (siehe 1–6).
• 3.3 Verdichter (3)
• Der Verdichter, elektrisch (3a) oder thermisch (3b), erhöht den Energiezustand von Q5 (Enthalpie) des Arbeitsmittels durch Druck- u. Temperaturerhöhung des Gases. Q6 ist der vom Verdichter abgegebener erhöhter Energieinhalt des Arbeitsmediums. Beim thermischen Verdichter (3b) wird die Abgasenergie Qab der Verbrennungsluft zur Erhöhung des verbrennungstechn. Wirkungsgrades wieder zugeführt (Brennwerttechnik).
• 3.4 Expansionsventil/Druckreduzierventil (4)
• Das Expansionsventil reduziert den Aggregatzustand der Arbeitsmittelflüssigkeit, d. h. durch die Energieabgabe ergeben sich geringe Druck- u. Temperaturwerte, und dadurch ergibt sich auch ein geringerer Energieinhalt Q4 des Arbeitsmittels.
• 3.5 Thermoelektrische Generatormodule (5)
• Die Wärmeenergie Q6, Q11 wird bei einer hohen Temp. Differenz von Δt dem Wärmetauscher (2) direkt zugeführt und liegt in den Thermomodulen (5) als Eingangs-Nutzenergie Q10 vor. Durch die Energieabgabe Q9 der Kaltseite wird die Temp.-Differenz immer eingehalten, und damit kann die Wärmeenergie in elektr. Nutzenergie umgewandelt werden (siehe symbolische Darstellungen 1–5 Energiebilanzpläne). Die elektrische Schaltung der Thermogeneratormodule kann je nach der gewünschten Ausgangsspannung in Serie und/oder paralleler Gruppenanordnung vorgenommen werden. Im wirtschaftlichen Netzbetrieb entnehmen die Thermo-Generatoren dem Wärmepumpensystem immer die volle abgegebene thermische Energiemenge Q10 zur Umwandlung der maximalen elektrischen Leistung Q14. Dieser geschlossene thermische Kreisprozess mit der Energierückgewinnung der TEG-WP Kaltseite ist eine wichtige Voraussetzung für einen optimal regelbaren Wärmeprozesskreislauf.
• 3.6 Kondensator-Wärmetauscher, WT (6)
• Der Wärmetauscher (6) gibt die Wärmeenergie zur Nutzung indirekt ab. Im Anlagen-Funktionsprinzip C und D (3 u. 4) ist dieser WT (6) als Kondensator ausgeführt, und setzt die Wärmeenergie Q13 zu Heizzwecken um (z. B. Heizungs-Warmwasseranlagen). In den Betriebsarten 1c, mit dem Abzweig eines Teilwärmekreislaufes Q11 direkt aus dem Feuerungsraum (3b), ist eine hohe Temp.-Differenz Δt, u. gleichzeitig eine Stromerzeugung mit etwa gleicher abgezweigten Energiemenge realisierbar. Eine aufgenommene Umwelt/Abwärmeenergie würde im Betriebsmodus (1a oder 1b) eine entsprechende Reduzierung der Primärenergie bedeuten, und damit auch die Betriebskosten senken. Die Betriebmodi (1a, 1b oder 1c) sind hierbei mit dem TEG-WP (2) nur dann für die Stromerzeugung effektiv, wenn auch eine entsprechende Wärmemenge über den WT (6) entnommen wird. Diese Funktionsweisen sind während der am meisten genutzten Heizungsperiode, auch bei gleichzeitiger Stromerzeugung, am sinnvollsten. Aber auch ein Kühlbetrieb (1a) mit dem TEG-WP ist möglich, wenn über den WT (6) die gleiche zu übertragene Wärmeenergie abgenommen wird. (z. B. Stromerzeugung während der Warmwasser-Aufbereitungsphase bei paralleler Gebäudekühlung).
• In der Betriebsfunktion C ist eine sehr effektive Arbeitsweise (1c) zu realisieren, wenn nur die maximale Stromerzeugung im Vordergrund steht, und der TEG-WP (2) als Verdampfereinheit zur reinen Energieaufnahme der Kaltseite ausgelegt wird. Dieser Vorteil gilt eingeschränkt auch für die Betrieb D, wenn der WT (10) als Verdampfer genutzt wird. Diese Betriebsfunktionen sind sehr wirtschaftlich, da 1. die Heizwärme-Energie praktisch in gleicher Höhe auch für die Kühlung der Kaltseite zur Verfügung steht, und 2. die maximale Stromerzeugung in der Heizungsperiode erzielt werden kann. In den Betriebsfällen A und B (6a, 1a) mit der Heizwärmeabgabe Q13 durch den WT (6) als Kondensator kann auch alternativ mit etwa der gleichen Energie Q3 bei gleichzeitiger Stromerzeugung gekühlt werden.
• Für eine reine Stromerzeugung ist der Betriebsfall A, B (6b) mit und ohne Umwelt-Abwärme-Energieaufnahme vorgesehen. Soll aber nur eine Stromerzeugung aus der zugeführten Primärenergie des Verdichters stattfinden, so ist es sinnvoll, den Betriebsfall A (6b, 1c), mit dem TEG-Modul (2a) als Kondensator und (2b) als direkten Verdampfer, oder wahlweise den indirekten Betrieb B über WT (10) als Verdampfer, zu wählen. Verschiedene Kombinationsmöglichkeiten sind ebenfalls realisierbar, je nach den Erfordernissen oder den spezifischen Anforderungen der Anwender.
• Ein weiterer sinnvoller Einsatz ist das TEG-WP System als Klimagerät im Funktionsprinzip A oder B Modus (1a, 6b) zur Kühlung zu verwenden, wobei ein effektiver elektr. Kompressorverdichter (3a) eingesetzt wird, und der TEG (2a) als Kondensator arbeitet. Dabei wird zur Raumkühlung die warme Außenluft (Sommer) mit der Energie Q3 aufgenommen, und über die Wärmepumpe des TEG-WP zur Stromerzeugung in Q14 umgewandelt, um die elektr. Energie wieder zurück ins Stromnetz einzuspeisen.
• Die Funktionsprinzipien A und C bzw. B und D unterscheiden sich durch die verschiedene direkte oder indirekte Energierückgewinnung der Modulkaltseite, entweder ohne (s. 1 u. 3) oder mit (s. 2 u. 4) Einsatz von WT (10).
• 3.7 Ohmscher Lastwiderstand R_L (7)
• R_L (Last) ist ein veränderbarer elektrischer Ohmscher Widerstand sinnbildlich als Verbraucher gedacht, zur Nutzung der umgewandelten elektrischen Energie Q14. Die gewonnene elektrische Energie in DC kann nach einer Wechselregler-Umwandlung in AC direkt in das öffentliche Netz eingespeist werden. Die erzeugte Leistungsgröße hängt von den eingesetzten Bauelementen, der Menge der Energieflüsse und von den Wirkungsgraden ab. Die gewünschte Ausgangsleistung ist technisch über eine höhere Anzahl mehrerer Modulbausteine realisierbar. Im Netzbetrieb ist immer eine Arbeitsweise im optimalen Wirkungsgradbereich auch ohne Energiepufferung gewährleistet.
• 3.8 Kältemittel-Arbeitsmittelkreislauf (8)
• Erst durch den Einsatz eines geeigneten Arbeitsmittel im geschlossenen Wärmepumpenkreislauf (8) und der direkten Energierückgewinnung Q9 kann die benötigte hohe Temperaturdifferenz Δt erzielt werden. Nach diesem Funktionsprinzip wird eine Stromerzeugung mit hohen thermischen Wirkungsgraden wirtschaftlich möglich, insbesondere bei Wärmepumpen mit neuartigen thermischen Verdichtern und hohen Leistungszahlen. Bei geringen Eingangstemperaturdifferenzen und hohen Durchflussmengen Q1 kann es zur Erzielung eines hohen Temperaturgefälles Δt alternativ zweckmäßig sein, ein separat arbeitendes, mehrstufiges Wärmepumpensystem zur stufenweisen Temperaturerhöhung von t6 bzw. t3 einzusetzen.
• 3.9 Indirekter Kreislauf zur Energierückgewinnung (9)
• Zur Erhaltung der Temperaturdifferenz ist es notwendig, die Energieabgabe der Kaltseite des TEG-WP sicher zu stellen. Diese Energie Q9 wird über den Kreislauf (9) indirekt über WT (10) dem Verdichter, und damit dem TEG-WP, erneut zur Stromerzeugung zugeführt. Dieser Betriebsvorteil ist nur mit einem WP-System realisierbar, was die TEG-WP Funktions- und Arbeitsprinzipien A, B, C, D, E (s. 1–5) im Besonderen charakterisiert.
• 3.10 Austreiber (Thermischer Verdichter 3c, s. 5):
• Die Wärmeenergiemenge Qbz wird dem thermischen Verdichter (Austreiber 3c) über einen geschlossenen Kreislauf (z. B. Heizwasser) indirekt und verlustarm zur Erzeugung und Freisetzung der Absorptionswärme Q6 zugeführt.
• Im Sommerbetrieb, wenn keine Gebäudekühlung benötigt wird (Funktion: 6b, 1c), wird im Dauerbetrieb nur die Wärmemenge abgenommen, die zur maximalen Netzeinspeisung Q10 des TEG-WP (z. B. 2 kW) auch tatsächlich benötigt wird.
• Soll im Sommer doch gekühlt werden, so wird die thermische Kühlleistung Q3 symmetrisch durch die Netzeinspeisung Q10 automatisch mit erzeugt. Der Verdampfer (1) wird dann als Luftwärmtauscher zur Wärmeaufnahme ausgelegt (Funktion: 6b, 1a) Die maximale Kühlleistung beträgt dann zum Beispiel Q10 = Q3 = 2 kW bei gleichzeitiger max. Stromeinspeisung. Im Sommerbetrieb kann also immer die volle TEG-WP Leistungsnetzeinspeisung mit oder ohne Gebäudekühlung realisiert werden. Im Winterbetrieb (Funktion: 6a, 1a, 1b) bei max. Energiebedarf Q13 kann kurzzeitig auf eine TEG-WP Stromeinspeisung verzichtet werden. In diesem Fall dient der TEG-WP (2a, 2b) autom. als reines Durchlaufgerät ohne Energieaustausch. Es besteht auch hier die vorteilhafte Möglichkeit einen Teillast-Wärmebedarf des Hauses über eine geregelte Stromeinspeisung Q10 wirtschaftlich genau anzupassen (z. B. bei geringem Heizbedarf während eines Winterurlaubes).
• In den meisten Fällen ist auch hier die volle Netzstromeinspeisung Q10 sinnvoll, da über das WP-System mit der Brennstoffzelle im Dauerbetrieb immer genug Qbz Wärmeenergie zur Verfügung steht. Ein wesentlicher Vorteil besteht im Winterbetrieb auch darin, dass über eine effektive Absorptionswärmepumpe die „kostenlos hoch gepumpte” Umweltenergie Q3 zusätzlich zur Anlageneffektivität genutzt werden kann. In diesem Fall wird die erforderlich hohe Heizenergie Q13 für die Heizleistung und die Warmwasseraufbereitung für den Winterbetrieb gewonnen. z. B.: Mit einer modernen Absorptionswärmepumpe und einer Leistungszahl von COP = 4 kann bei einer aufgenommenen Primärenenergiemenge von der Brennstoffzelle Qbz von z. B. 3 kW eine gesamt abgegebene Energiemenge von 12 kW erzielt (COP = 12/3) werden. Das heißt auch umgegehrt, dass mit diesem Wärmepumpensystem 9 kW (12 – 3 kW) aus der Umwelt an Energie über Q3 umgesetzt (hoch gepumpt) werden kann. Damit ist ein sehr umweltfreundliches, voll ausreichendes, Heiz- und Kühl-System für ein Ein – oder Zweifamilienhaus realisierbar. Gleichzeitig besteht ein besonderer Vorteil auch darin, dass damit der aktuelle Energiebedarf, bzw. eine zeitgenaue, automatische Wärme-Verbrauchsanpassung, über eine variable Netzstromeinspeiseregelung ermöglicht wird. Die gleichen oben beschriebenen Vorteile mit dem TEG-WP System einer ganzjähriger effektiver Wärmeenergieausnutzung mit einem Gesamtwirkungsgrad > 80% ist ebenfalls mit einer anderen variablen Primärenergiequelle realisierbar (z. B. eine Abwärme-Direktzuführung zum Wärmepumpen-Austreiber 3c).
• Die Kombination einer Brennstoffzelle (12) und einer Absorptionswärmepumpe (3b) gekoppelt mit dem TEG-WP (2) und einer gesamten Stromeinspeiseeinheit (5) eignet sich besonders gut zur Erzielung hoher effektiver Jahres-Gesamtnutzungsgrade, was das innovative und umweltfreundliche Gesamtanlagensystem besonders auszeichnet.
• 3.11 Absorber (Thermischer Verdichter 3d, s. 5):
• Der Rückfluss des Heizungskreislaufes Q13 wird zur Absorption des Arbeitsmittels in der Lösungsflüssigkeit vorteilhaft zum Absorber des thermischen Verdichters geführt. Auch ohne Heizwärmeabgabe Q13 (Funktion: 6b, 1c, Kaltwasserrückfluss) wird die Lösungsflüssigkeit über den Kühlanschluss (6c) zur Absorptionsfähigkeit immer unterhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels (Kältemittels) gehalten.

Claims (1)

1. Die Ansprüche werden damit begründet, dass die Funktionsweise des thermoelektrischen Generators mit einer Wärmepumpe TEG-WP dadurch gekennzeichnet ist, dass 1. die elektrische Nutzenergie, erzeugt aus einer hohen Temperaturdifferenz Δt über ein integriertes ein-, oder mehrstufiges Wärmepumpensystem, durch direkte Wärmekontakt-Energieübertragung (Konvektion) aus vielen einzeln, zusammen geschalteten TEG-WP Modulen gewonnen wird, und die Energieanteile der Warmseite Q10, sowie die der Kaltseite durch eine Energierückführung Q9 im Prozesskreislauf, je hälftig in einem Heiz-, bzw. Kühlsystem gewonnen werden. 2. nach Anspruch 1 die Kühlenergie Q9 für die Modulkaltseite aller Ausführungen des TEG-WP Blockes WT 2 über den Prozesskreislauf 8 direkt, oder 9 indirekt, zum Verdichtersystem 3 zurückgeführt wird, und so die hoch gepumpte Kühl-Energie dem TEG-WP wieder voll zur Stromerzeugung zur Verfügung steht. 3. nach Anspruch 1 die thermische Nutz-Energie Q6 im Funktionsprinzip A und B zum Kondensator 2a für die Modulwarmseite direkt nach dem Verdichter 3 zugeführt wird, bzw. die Nutz-Energie Q11 nach dem Funktionsprinzip C und D für die Warmseite des TEG-WP direkt über das Wärmeleit-System 11 aus dem Verbrennungsraum eines thermischen Verdichters abgezweigt wird, und dem Block-WT 2 zugeführt wird, um so die notwendig hohe Temperaturdifferenz Δt zur Kaltseite zu realisieren, für eine effektive thermoelektrische Generatorfunktion. 4. nach Anspruch 1 die externe Primärenergie Qext dem thermischen Verdichter 3 des Wärmepumpensystems als Nutzenergie dem Wärmeprozesskreislauf zugeführt wird, wobei die Verbrennungsluft des thermischen Verdichters 3b mit dem Abgas Qab vorgewärmt wird, wodurch der verbrennungstechnische Wirkungsgrad und damit der Gesamtnutzungsgrad erhöht wird. 5. nach Anspruch 1 die zugeführte thermisch Gesamt-, oder Teilnutzenergie Q6 oder Q11 zur TEG-WP Moduleinheit 2 direkt in elektr. Energie ohne mechanischen Antrieb, wartungsfrei, geräuschlos, und umweltfreundlich umwandelt wird, um den Gleichstrom über einen Wechselrichter in Wechselstrom umzuwandeln, um dann den erzeugten Strom, entweder selbst zu nutzen, oder in das öffentliche Stromnetz umweltfreundlich einzuspeisen. 6. nach Anspruch 1 die mittig zentral angeordneten Module vom Flächenwärmetauscher (WT) im Gegenstrom im Funktionsprinzip A, B oder E warmseitig mit dem Arbeitsmittel zum WT 2a, und kaltseitig zum WT 2b, mit dem Arbeitsmittel des Wärmekreislaufes 8 bzw. 9 durchflossen werden, u. alle TEG Module in einer Funktionseinheit im Doppel-WT 2, eng aneinander zusammengefasst und fest montiert sind, sowie in einer integrierten Blockeinheit zur Minimierung der Abstrahlverluste vollständig allseitig wärmeisoliert sind. 7. nach Anspruch 1 die Eingangswärmeenergie umweltfreundlich direkt oder indirekt aus der Umweltenergie oder Abwärmeenergie Q3, sowie aus der Wärmestrahlungsenergie der Sonne Q3' gewonnen wird, und in den Arbeitskreislauf 8 zur thermischen Energieerhöhung eines überhitzten Gases mit Hilfe eines effektiven Wärmepumpensystems übertragen wird, um gleichzeitig mit dem TEG-WP über eine Laststromregelung wahlweise durch die Umwelt-, bzw. Abwärme-Energienutzung regelbare Heiz-, oder Kühlgeräteanlagen zu realisieren. 8. nach Anspruch 1 alle TEG im Zentralblock-WT 2 in einer integrierten Konstruktion im Multimodulverband doppelseitig und paarig gegenüber, auf sehr planen Flächen hart verlötet oder verklebt, aufgebaut sind, so dass durch diese Anordnung die Wärme-Energie direkt in elektr. Energie effektiv und verlustarm umgewandelt werden kann. 9. nach Anspruch 1 zur Stromerzeugung im Funktionsprinzip C und D im Betriebsmodus 1c die abgegebene Heizenergie Q13 entweder ganz zur Kühlung der TEG Module 2, die als Verdampfer ausgelegt sind, oder im Betriebsmodus 1a bzw. 1b zusammen mit der Umwelt-, Abwärmeenergieaufnahme Q3 teilweise, zur Kühlung der TEG Module verwendet wird, wobei hierbei die abgegebene Heizenergiemenge Q13 zuzüglich der aufgenommenen Energie Q3, der erzeugten elektrischen Energie Q10 etwa entspricht. 10. nach Anspruch 1, ein mehrstufiges Wärmepumpensystem zur Erzielung der notwendig hohen Temperaturdifferenz Δt mit einem TEG-WP eingesetzt wird, um damit auch bei geringen Temperaturdifferenzen Q1 – Q2 der Energieeingangsflüsse effiziente elektrische Energieumwandlungen zu erzielen. 11. nach Anspruch 1 die Wärmeenergiemenge im WP-Kreisprozess der maximalen Wirkleistungsabgabe des TEG über die Primärenergiezuführung automatisch angepasst wird, bzw., dass die maximale Generatorleistung der aufgenommenen Wärmeenergie Q3 in allen Betriebsfunktionen genau nachgeregelt wird, bzw. alternativ, dass in Kühlprozessregelkreisen die erforderliche Kühlleistung zur Temperaturregelung über eine regelbare Netzstromeinspeisung realisiert wird. 12. nach Anspruch 1 der TEG-WP als Klimagerät alternativ im Funktionsprinzip A 6b oder B 6b im Betriebsmodus 1a zur Raumkühlung verwendet wird, wobei der WT 2a als Kondensator dient, und für die Wärmepumpe ein elektrischer Kompressorverdichter 3a eingesetzt wird, wobei die aus der warmen Außenluft mit dem WP Verdampfer mit Ventilator gewonnene Kühlleistungsenergie Q3, voll zur Stromerzeugung dient und ganz in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. 13. nach Anspruch 1 im Heizbetrieb ohne Energieaufnahme Q3 im Funktionsprinzip C und D im Betriebsmodus 1c eine maximale Stromerzeugung erzielt wird, indem der TEG-WP 2 direkt als reiner Verdampfer zur Energieaufnahme der Kaltseite ausgelegt wird, entsprechend der maximal abgegebenen thermischen Wärmeenergie Q13 und der aufgenommenen Wärmemenge Q11, wobei die elektrische Energie Q10 immer etwa der abgegebenen Heizenergiemenge Q13 entspricht. 14. nach Anspruch 1 insbesondere im Betrieb mit einer Brennstoffzelle 12 für die Verdichterheizenergie Qbz, oder mit einer anderen Primärenergiequelle Qext, für die Absorptionswärmepumpe 3b ein hoher Nutzungsgrad für ein Ein- oder Zweifamilienhaus dadurch erreicht wird, dass 1. das Gesamtsystem, immer im Dauernennbetrieb bei optimalen Wirkungsgeraden aller Komponenten arbeitet, und 2. dass durch eine variable TEG-WP Netzstromeinspeiseregelung über Q14 sowohl im Kühl- als auch im Heizbetrieb eine Verbrauchsleistungsanpassung von Q13 erreicht wird, wobei sich durch die doppelte Stromgewinnung aus der Brennstoffzelle und der TEG-WP Qbel + Q10 insgesamt immer ein sehr wirtschaftlicher Jahresdauerbetrieb mit hohen Gesamtwirkungsgraden ergibt, und gleichzeitig auch mit diesem Gesamt-Anlagensystem alle Voraussetzungen für einen gesetzlichen und umweltfreundlichen Förderzuschlag erfüllt werden.