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ZUGEHÖRIGES TECHN. GEBIET
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Die Erfindung gehört zu den allgemeinen Wärmespeichersystemen (im folgenden WSS genannt) nach IPC F28D20/00 in Verbindung mit dem Einsatz von einem oder mehreren thermo-elektrischen Generatoren (im folgenden TEG genannt), die nach dem Seebeck-Effekt arbeiten wie in IPC H01L35/00.
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STAND DER TECHNIK
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Bisher bekannt sind sowohl aus
DE 10 2011 080 011 A1 ein System mit einem einseitig an den TEG angebrachten Wechselphasen-Material, oder aus
DE 20 2011 004 201 U1 ein System mit einem einseitig an den TEG angebrachten Speichermaterial, wobei man gut erkennt, dass die Abwärme immer noch durch die andere Seite des TEG abgeführt werden muss. Den Ansatz, stark schwankende Temperaturen durch ein Zwischenspeicher auszugleichen, zeigt
WO 2013/099321 . Dieses Prinzip zeigt auch die Analogie der Wärmetechnik zur Elektrotechnik, in der Kondensatoren als Ladungsspeicher zur Spannungs-Glättung einsetzt werden. Im Bereich der Solartechnik zeigt
GB 2493092 eine mögliche Anwendung, ebenfalls unter Verwendung von Phasenwechsel-Material und einem TEG optional.
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NACHTEILE STAND DER TECHNIK
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Den Hauptnachteil des bisherigen SdT bei Einsatz eines TEG zeigt deutlich 1: Es ist ein Einzelelement im Betriebszustand dargestellt.
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Während des Betriebes des TEG entsteht bei genügend hoher Temperatur-Differenz die Thermo-Kontaktspannung und bei Anlegen eines Verbrauchers fliesst der Seebeckstrom IS. Es fliesst generell die Wärme von der warmen zur kalten Seite des TEG, bestimmt durch die Wärmeleitung und dieser Wärmestrom wird überlagert durch den Joul'schen Wärmestrom, hervorgerufen durch den elektrischen Seebeck-Strom, die sich aber gegenseitig behindern. Die geringe Spannung wird kompensiert durch die elektrische Hintereinander-Schaltung vieler Einzelelemente z. B. 256. Um die Temperaturdifferenz aufrechtzuhalten, wird üblicherweise die Kaltseite gekühlt, d. h. die Wärme abgeleitet, es entsteht somit ”Abwärme”. Hieraus resultieren die geringen Wirkungsgrade des TEG.
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DIE AUFGABE/TECHN. PROBLEMSTELLUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein konstruktiv einfaches Wärmespeichersystem mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, das auch Strom produzieren kann.
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EINSICHT IN ZUSAMMENHANGE:
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Folgende physikalische Zusammenhänge und Ihre Kombinationen liegen der Erfindung zugrunde:
- A. Wenn ein Wärmespeicher gross genug ist, gibt es zu keinem Zeitpunkt ein homogenes Wärmefeld innerhalb dieses WS d. h. es kann prinzipiell immer ein TEG betrieben werden, da die Verteilung der Wärme innerhalb des Materials relativ langsam (im Gegensatz zum el. Strom) vor sich geht.
- B. Der Gütefaktor Z eines TEG wird definiert durch die mathematische Verknüpfung der Wärmeleitfähigkeit λ, der elektrischen Leitfähigkeit σ und dem Seebeck-Koeffizient α der eingesetzten Materialien: Z = (α2·σ/λ) [Formel 1)]
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Die aussen anliegende Wärme fliesst von der ”Heiss”-Seite zur ”Kalt”-Seite des TEG. Gleichzeitig wird während des Betriebes durch den Betriebsstrom Joule'sche Wärme produziert, die in beide Richtungen abfliesst. Der Wirkungsgrad des TEG bestimmt sich somit aus dem Verhältnis von umgesetzter Wärmemenge zur produzierten elektrischen Leistung Pel: η = (QAB + QJ)/Pel [Formel 2]
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Abhängig von dem Gütefaktor Z der eingesetzten TEG-Materialien und der möglichen Betriebstemperatur T liegt der Wirkungsgrad üblicherweise zwischen 3–5%, bei aufwendig hergestellten und damit teuren Systemen mit Sondermaterialien bei max. 10%. (s.
"Analyse thermoelektrischer Module und Gesamtsysteme", Dissertation von Christine Junior, EUL-Verlag, 2010).
- C. Die Speicherung der sogenannten ”Abwärme” QAB in einem Speichersystem würde diese wieder als nutzbare Wärme ”umwandeln” und z. B. zum Heizen zur Verfügung stehen.
- D. Die Bedingung für C ist aber eine hochwertige Isolation des Gesamtsystems und die Möglichkeit, die unterschiedlichen Speicher-(Temperatur)-Bereiche separat zu nutzen, d. h. eine jeweilige Be- bzw. Entladung der WS-Teile ist zwingend Bestandteil des Systems.
- E. Der TEG arbeitet immer mit einer Temperatur-Differenz, d. h. auch mit Wärme unterschiedlicher Niveaus, die durchaus alle wesentlich über der Raumtemperatur RT liegen können. Dies ermöglicht wiederum den Einsatz von Festkörper-Speichersystemen, ohne den Einsatz von Fluiden.
- F. Ähnlich wie bei einem BHKW, bei dem die ”Abwärme” als ”Heizwärme = Nutzwärme” verwendet wird, kann hier der Wirkungsgrad des Gesamtsystems entscheidend verbessert werden, nicht (nur) durch Optimierung der Einzelkomponenten (= normale Entwicklungstätigkeit), sondern durch ein neues WS-System-Konzept mit TEG.
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DIE LÖSUNG
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Durch die Kombination eines oder mehrerer TEGs mit einem 2- oder mehr-geteilten WS besteht prinzipiell die Möglichkeit, sowohl Wärme zu speichern, als auch elektrischen Strom zu produzieren. Voraussetzung hierfür ist, dass das Gesamtsystem wärmetechnisch isoliert wird, wobei der technische Aufwand von der Zeitspanne der Speicher-Funktionalität abhängt. Bei einem System, das nur über Tage die Wärme speichern soll, kann mit geringerem technischen Aufwand isoliert werden, als bei einem System, das die im Sommer gespeicherte Sonnenenergie auch im Winter zur Verfügung stellen soll.
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Als herausragender Synergie-Effekt wird der Wirkungsgrad des Gesamtsystems dadurch entscheidend erhöht, dass der Anteil der Wärme, der beim konventionell betriebenen TEG als sogenannte ”Abwärme” bzw. ”Anergie” dem System nicht mehr zur Verfügung steht, hierbei durch das Wärmespeichersystem wieder aufgenommen wird und als Wärme weiter verwendet werden kann, als ”Exergie”.
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VORTEILE:
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- 1. Die Erfindung kann einen hohen Wirkungsgrad des Gesamtsystems erreichen durch Isolierung des Gesamtsystems und der Regelbarkeit der Be- und Entladung der jeweiligen Teile des Wärmespeichers, unter der Voraussetzung, dass sowohl Wärme als auch Strom weiterverwendet werden.
- 2. Die Erfindung weist sich durch eine hohe Verfügbarkeit, Wartungsfreiheit und Robustheit durch den Einsatz von TEGs aus. Es gibt keine bewegten mechanischen Teile, die dem Verschleiss unterliegen.
- 3. Die Erfindung stellt eine Verbesserung der Funktion und Lebensdauer des TEG durch Temperaturglättung dar. Der TEG erfährt keine schnellen Temperatur-Schwankungen, die entsprechende mechanische Spannungen erzeugen könnten, analog der Funktion eines elektrischen Kondensators zur Spannungsspitzen-Vermeidung in einer elektrischen Anlage und zwar sowohl auf der Heiss- wie auch auf der Kaltseite.
- 4. Die Erfindung bietet den grossen Vorteil, dass durch ihren einfachen Aufbau beispielsweise unter Verwendung von Hochtemperatur-Festkörperspeichern der Einsatz von Wärmetransport-Fluiden entfallen kann. Somit sind nicht mehr notwendig: ein hydraulischer Abgleich, Pumpen mit beweglichen Teilen, Einfriersicherung von wasserbasierten Fluidsystemen, Überdrucksicherung bei Fluidsystemen bei unkontrolliertem Übergang des Fluids in die Gasphase.
- 5. Die Erfindung bietet den weiteren Vorteil, dass für abgelegene Regionen ein autarker Betrieb möglich ist. Auch ohne externe Stromanschlüsse kann bei genügend Sonneneinstrahlung beispielsweise Strom für Telekommunikation, Licht, Computer und zum Betreiben weiterer elektrischer Verbraucher zur Verfügung gestellt werden.
- 6. Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie zur weiteren Erhöhung des Einsatzes von regenerativen Energien im heutigen Hausbestand beitragen kann. Beispielsweise ist es möglich, dass die Erfindung teilweise oder ganz den Wärme- bzw. Strombedarf in Wohnhäusern übernimmt. Die Entladung der WS kann über eine Integration von bestehenden oder neuen Heizverteilungs-Systemen durchgeführt werden.
- 7. Durch den konstuktiv einfachen Aufbau, geometrische einfache Bauformen (Würfel, Quader oder Quader mit 6-eckiger Grundfläche) und standardisierte Anschlüsse lässt sich die Modulbauweise realisieren, d. h. ausgehend von kleinen Basiseinheiten können diese zu grösseren Modulen verschiedener Leistung zusammengefasst werden, analog der Reihen- oder Parallelschaltung von chemo-elektrischen Batteriezellen zu Batteriemodulen.
- 8. Weiter bietet die Erfindung den nicht unerheblichen Vorteil, in weiten Bereichen skalierbar zu sein. Die Wärmekapazität kann beeinflusst werden durch den Einsatz verschiedener Materialien und verschiedener Volumen. Während die Leistungsabgabe von unterschiedlichen TEG-Varianten und deren Arbeits-Temperaturbereichen abhängt, die man konstruktiv entsprechend auslegen kann.
- 9. Durch Kombination der Vorteile 7. + 8. entsteht ein wirtschaftlicher Vorteil: die Produktpalette spannt sich von Systemen mit hoher Leistungsdichte (Hightech-Bereich) bis zu Systemen, die möglichst kostengünstig ausgelegt werden können (Lowcost-Bereich).
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FUNKTIONBESCHREIBUNG AM BEISPIEL
| Abk. | Benennung/Erklärung |
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| WSS | Wärme-Speicher-System |
| WS | Wärmespeicher |
| TEG | Thermo-elektrischer Generator |
| WQ | Wärmequelle |
| WS-A | Wärmespeicher A (an WQ liegend, oder verbunden) |
| WS-B | Wärmespeicher B |
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| Δ(θB – θA) | Temperatur-Differenz zwischen WS-A und WS-B |
| ΔθTEG | Betriebs-Temperatur-Differenz, ab der die geplante Betriebsspannung UB am TEG anliegt |
| Nr. | Benennung/Erklärung |
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| 10 | Thermoglas, vergütet oder elektrisch abblendbar |
| 20 | Wärmespeicher (A) |
| 30 | Wärmeleitungsanschluss (A) |
| 40 | TEG (Thermoelektrischer Generator) |
| 50 | Wärmespeicher (B) |
| 60 | Wärmeleitungsanschluss (B) |
| 70 | Isolationslager |
| 75 | Abschirmung bzw. Isolierung |
| 80 | elektr. Anschluss TEG |
| 85 | elektr. Anschluss TEG durch Vakuum |
| 90 | Gehäuse |
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2 zeigt den Prinzipaufbau der Erfindung mit 2 WS-Teilen A (20) und B (50), dem TEG (40), den notwendigen Wärme-Zu- und Ableitungen (30, 60), der Wärmeisolierung bzw. Abschirmung des Gesamtsystems (75) und einem Gehäuse (90), welches wiederum auf wärmeisolierten Lagern (70) steht.
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3 stellt das Wärmeflussdiagramm dar, wobei die sonst übliche Abwärme des TEG bei der Stromproduktion als Nutzwärme in den Speicher mit dem jeweils temperaturmäßig geringeren Temperatur-Niveau zwischengespeichert wird. Durch den geringen Einzel-Wirkungsgrad des TEG sollte der Energiebedarf von Wärme/elektr. Strom bei etwa 10/1 liegen und das System entsprechend ausgelegt werden. Üblicherweise ist der Wärmebedarf immer höher als der Strombedarf, es sei denn, es wird mit Strom geheizt. Dieser Sonderfall wird hier nicht betrachtet.
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4 zeigt das Beispiel eines Solar-WSS: Die Solarstrahlung trifft durch das Thermoglas (10) hindurch auf die in einem optimalen Winkel positionierte obere Oberfläche des WS-Teiles A (20). Diese Oberfläche ist analog eines Solarkollektors beschichtet (z. B. mit Schwarzchrom oder CVD-Schichten), um eine hohe Absorption und gleichzeitig eine geringe Rückstrahlung zu gewährleisten. Optional kann hier eine zusätzliche Rückstrahlungssperre eingesetzt werden, die verhindert, dass in der Nacht der Speicher zuviel Energie nach aussen zurückstrahlt. Weiter zeigt 4 den unteren WS-Teil B (50), den zwischen den beiden WS-Teilen befindlichen TEG (40) mit Stromzuleitungen (80), den jeweiligen Wärme-Zu- und Ableitungen (30, 60) und einem wärmeisolierten Gehäuse (90), welches wiederum auf wärmeisolierten Lagern (70) steht.
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Erreicht der WS A die dafür ausgelegte Arbeitstemperatur im Vergleich zum nicht bestrahlten WS B, so kann der TEG Strom liefern. Während des Betriebes des TEG entsteht ein Wärmestrom, der die Wärme vom WS A zum WS B transportiert. Generell gibt es bei Temperaturdifferenz zwischen WS A und WS B immer einen wärmeleitungsbedingten, materialabhängigen Wärmestrom, der dem Betriebswärmestrom überlagert ist. Steht die Solarstrahlung temporär bzw. volatil nicht zur Verfügung, würde die Temperaturdifferenz verringert, bis unter den Arbeitsbereich des TEG und dieser damit keinen Strom mehr liefern. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß dann aus dem unteren WS B die Nutzwärme bezogen, um die Temperaturdifferenz wieder in den Arbeitsbereich des TEG zu erhöhen. Analog kann aber auch bei andauernder (Tages-)Solareinstrahlung die Nutzwärme aus dem WS A entnommen werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung, durch separate Wärme-Be bzw. -Entladung stellt damit sicher, dass immer eine ausreichende Temperaturdifferenz zum Betrieb des TEG gewährleistet ist.
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Um auch mit höheren Temperaturen (z. B. RT bis zu 2000°C bei Graphitspeichern) arbeiten zu können, werden die Wärmeströme innerhalb des Systems ausschliesslich durch gut wärmeleitende Materialien weitergeleitet. Dies setzt voraus, dass alle eingesetzten Stoffe und auch die Konstruktion selbst entsprechend wärmestabil sind, beinhaltet aber die beiden grossen Vorzüge, einerseits hohe Energiedichten zu erreichen und andererseits auf aufwendige Fluid-Systeme verzichten zu können. Ausserhalb des Systems können durchaus wieder Fluid-Systeme zum Einsatz kommen z. B. in Wärmetauschern zum Weitertransport der aufgewärmten Fluide als Nutzwärme.
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Für Wärmespeichersysteme, die über längere Zeit die Wärme speichern sollen, kann es notwendig werden, die Konvektion innerhalb des Gehäuses durch Anlegen eines Vakuums signifikant zu reduzieren und die Bauteile höherer Temperatur durch Abschirmungen von den Bauteilen niedriger Temperatur wärmestrahlungstechnisch zu entkoppeln. Auch hierbei können zusätzlich wärmestrahlungstechnische Anstriche eingesetzt werden.
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5 weist weitere Varianten aus mit a) dem Grund-Prinzip analog zu
2, mit b) einem Kaskaden-Aufbau, der den unterschiedlichen WS-Teilen unterschiedliche Temperaturen zuweist und mit mehreren TEGs arbeitet und c) stellt einen rotationssymetrischen Aufbau dar, der z. B. in die jeweils optimale Bestrahlungsrichtung gedreht werden kann oder dies automatisch tut. SYSTEMEINBINDUNG Beschreibung eines Verfahrens zum Betrieb
| Abk. | Benennung/Erklärung |
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| θA | Temperatur WS-A |
| θAmax | Maximal-Temperatur WS-A |
| θB | Temperatur WS-B |
| θBmax | Maximal-Temperatur WS-B |
| Δ(θB – θA) | Temperatur-Differenz zwischen WS-A und WS-B |
| ΔθTEG | Betriebs-Temperatur-Differenz, ab der die geplante Betriebsspannung UB am TEG anliegt |
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Schritt 1.:
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Aufladen des Wärmespeichers A durch die Wärmequelle WQ, wodurch ein Δ(θB – θA) entsteht.
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Schritt 2.:
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Wenn Δ(θB – θA) > ΔθTEG, dann ist der TEG betriebsbereit.
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Schritt 3.:
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Betrieb TEG, solange Δ(θB – θA) > ΔθTEG, zeitgleich wird Wärmespeicher B über TEG beladen d. h. Δ(θB – θA) → 0.
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Schritt 4.:
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Entladen der Wärmemenge QB aus Wärmespeicher B, bis Δ(θB – θA) > ΔθTEG
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Schritt 5.:
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Wenn θA > θAmax, dann Entladen der Wärmemenge QA.
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Schritt 6.:
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Wenn θA > θAmax und θB > θBmax dann Abschaltung oder Abschirmung der Wärmequelle WQ.
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Durch den Betrieb des TEG wird Strom produziert und gleichzeitig fliesst die Wärme vom Wärmespeicher A zum Wärmespeicher B.
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WEITERE BEISPIELE
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Zwischenspeicherung von Strom aus Windkraftanlagen:
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Die Erfindung ist nicht allein auf Wärmeeinstrahlung beschränkt, sondern es kann auch Joul'sche Wärme durch einen elektrischen Heizstab ins System eingebracht werden, wobei der Wirkungsgrad hierfür sehr hoch ist (η = 0,80–0,98). Bei einem Speichersystem am Fusse einer Windanlage spielt weder das Gewicht noch die Grösse eine negative Rolle. Die Haupt-Funktion wäre dann nicht die Wärmenutzung, sondern die Wärmespeicherung und Stromerzeugung im Falle von wenig Wind und hohem Strombedarf. Hierbei könnte z. B. eine Ringkaskade zum Einsatz kommen (s. 5c), um die Wärme im Kreis ”durchzupumpen”.
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Ersatz von nuklearen Wärmequellen in der Raumfahrt und bei entlegenen Stromversorgungseinheiten:
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Diese Stromversorgungssysteme arbeiten bereits seit Jahren zuverlässig mit TEGs, verwenden aber radioaktive Plutonium- oder Uran-Keramiken zur kontinuierlichen Wärmeerzeugung. Ein WSS könnte die nicht kontinuierliche Strahlungsenergie der Sonne aufnehmen und auch danach kontinuierlich zur Verfügung stellen.
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Ladestationen für Handys und anderen Kommunikationsquellen in Gegenden ohne Elektro-Infrastruktur:
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In skalierbaren kleinen Bau-Einheiten kann die Erfindung tagsüber ”aufgeladen” werden, um danach wieder kontinuierlich Strom zu produzieren. Die Dimensionierung erfolgt unter Berücksichtigung der Einstrahlungszeitdauer und der notwendigen Stromversorgungskapazitäten.
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WEITERE VORTEILE
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Der konstruktiv einfache Aufbau in Verbindung mit einer passiven Wärmeleitung innerhalb des Systems gewährleistet nicht nur einen hohen Gesamtwirkungsgrad, sondern lässt auch eine sehr hohe Verfügbarkeit und Lebensdauer erwarten.
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Dies wiederum wirkt sich konsequenterweise auch auf die Investitionsrechnung positiv aus. Einfache Systeme können zudem auch ohne aufwendige Steuerelektronik zum Einsatz kommen. Wird Regenerative Energie zum Beladen verwendet, wird es in naher Zukunft möglich sein, weitere Produkte praktisch ohne CO2-Ausstoss produzieren zu können. Typischerweise bietet sich diese Technik für die Auslegung von unterschiedlichen autarken Energieversorgungssystemen an.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011080011 A1 [0002]
- DE 202011004201 U1 [0002]
- WO 2013/099321 [0002]
- GB 2493092 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Analyse thermoelektrischer Module und Gesamtsysteme”, Dissertation von Christine Junior, EUL-Verlag, 2010 [0008]
