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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung mit einem thermoelektrischen Generator und einer Kühleinrichtung.
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Thermoelektrische Generatoren dienen dazu, thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Thermoelektrische Generatoren machen sich hierbei den Seebeck-Effekt zunutze, wonach bei einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Kontaktstellen von unterschiedlichen elektrischen Leitern eine Spannung erzeugt wird. Indem man eine Seite des thermoelektrischen Generators (sog. Warmseite) einer Wärmequelle aussetzt, wird durch den Generator aufgrund der entstehenden Temperaturdifferenz zur anderen Seite (sog. Kaltseite) eine elektrische Spannung und hierdurch nutzbare elektrische Leistung generiert. Thermoelektrische Generatoren werden beispielsweise in Industrieprozessen eingesetzt, in denen große Mengen an ungenutzter Wärme frei werden.
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Zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrads eines thermoelektrischen Generators ist es erforderlich, die Kaltseite mittels einer Kühleinrichtung so weit wie möglich zu kühlen. Herkömmlicherweise wird meistens eine Flüssigkeitskühlung mit einem geeigneten Kühlmittel, vorzugsweise mit Wasser, verwendet. Das Kühlmittel wird in einem Kühlkreislauf zwischen einem Kühlkörper und einem Wärmetauscher geführt, wobei der Kühlkörper thermisch an die Kaltseite des thermoelektrischen Generators angebunden ist. Zur Zirkulation des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf wird üblicherweise eine Pumpe eingesetzt. Über den Kühlkörper des Kühlkreislaufs nimmt das Kühlmittel Wärme von der Kaltseite des thermoelektrischen Generators auf. Diese Wärme wird dann über den Wärmetauscher wieder an eine Wärmesenke abgegeben. Dabei kann ggf. ein zweiter Kühlkreis am Wärmetauscher vorgesehen sein, an den der Wärmeübertrag mittels des Wärmetauschers erfolgt.
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Bei der herkömmlichen Flüssigkeitskühlung von thermoelektrischen Generatoren besteht das Problem, dass zur Erreichung einer effizienten Kühlung eine beträchtliche Pumpleistung zur Zirkulation des Kühlmittels im Kühlkreislauf erforderlich ist. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung verschlechtert. Da der Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Generators mit 5% bis 10% an sich sehr gering ist, kann unter Umständen sogar der Fall auftreten, dass die Pumpleistung die mit dem Generator generierte elektrische Leistung übersteigt. Darüber hinaus erweist es sich bei der konventionellen Flüssigkeitskühlung als Nachteil, dass in dem Kühlkörper an der Kaltseite des Generators durch Wärmeaufnahme des Kühlmittels ein Temperaturgradient entsteht, der sich ebenfalls negativ auf den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators auswirkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermoelektrische Vorrichtung mit einem verbesserten Wirkungsgrad zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtung umfasst einen thermoelektrischen Generator mit einer ersten Seite zur Aufnahme von Wärme einer Wärmequelle und einer zweiten Seite zur Abgabe von Wärme an eine Kühleinrichtung, wodurch die Temperatur an der zweiten Seiten niedriger als an der ersten Seite ist. Thermoelektrische Generatoren sind an sich bekannt und in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch ein herkömmlicher thermoelektrischer Generator eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ihre Kühleinrichtung eine Siedekühleinrichtung mit einem Verdampfer und einem Kondensator umfasst, zwischen denen im Betrieb der Siedekühleinrichtung ein Kühlmittel ausgetauscht wird, das im Verdampfer durch Aufnahme von Wärme verdampft und im Kondensator durch Rückkühlung kondensiert. Der Verdampfer ist thermisch an die zweite Seite des thermoelektrischen Generators angebunden. Je nach Ausgestaltung können unterschiedliche Kühlmittel in der Siedekühleinrichtung verwendet werden. Vorzugsweise kommt dabei Wasser, Ethanol oder Ammoniak zum Einsatz.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erstmalig eine Siedekühlung zur Kühlung der Kaltseite eines thermoelektrischen Generators eingesetzt. Die Siedekühlung, welche eine Wärmeaufnahme über Verdampfung und eine Wärmeabgabe über Kondensation bewirkt, ist wesentlich effizienter als eine konventionelle Flüssigkeitskühlung, bei der das Kühlmittel seinen Aggregatszustand nicht verändert. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert. Darüber hinaus sind in einer Siedekühleinrichtung die Temperaturdifferenzen des Kühlmittels gering, so dass die Temperatur auf der Kaltseite im Wesentlichen konstant bleibt, was wiederum zur Verbesserung des Wirkungsgrads beiträgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der thermoelektrische Generator der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Anordnung aus einer Vielzahl von nebeneinander liegenden flächigen (vorzugsweise planaren) thermoelektrischen Modulen, wobei eine Fläche der Anordnung der ersten Seite des thermoelektrischen Generators und die gegenüberliegenden Fläche der Anordnung der zweiten Seite des thermoelektrischen Generators entspricht. In einer weiteren Variante umfasst der thermoelektrische Generator eine Anordnung aus einer Vielzahl von aneinander anliegenden ringförmigen thermoelektrischen Modulen, welche ein Rohr bilden. Dabei kann die erste Seite die Innenwand des Rohrs und die zweite Seite die Außenwand des Rohrs darstellen. Ebenso kann die erste Seite die Außenwand des Rohrs und die zweite Seite die Innenwand des Rohrs darstellen. Die entsprechende zweite Seite des Rohrs ist wiederum thermisch an den Verdampfer angebunden. Die Wandstärke des Rohrs liegt vorzugsweise zwischen 0,5 cm und 3 cm. Der Innendurchmesser des Rohrs liegt vorzugsweise zwischen 0,5 cm und 10 cm. Die Länge des Rohrs liegt im Bereich von wenigen Zentimetern bis wenigen Metern.
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Die oben beschriebenen thermoelektrischen Module sind vorzugsweise elektrisch in Reihe geschaltet. Jedes einzelne thermoelektrische Modul erzeugt dabei eine elektrische Spannung, wobei sich die Spannungen aller thermoelektrischen Module bei einer Reihenschaltung zu einer Gesamtspannung addieren. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass die Module parallel geschaltet werden bzw. die elektrische Verschaltung der Module eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung ist. Zum Beispiel können jeweils 10 Module in Reihe und die Stränge dann wieder parallel geschaltet werden. Durch entsprechende Wahl der Anzahl an thermoelektrischen Modulen kann der thermoelektrische Generator auf einfache Weise für den gewünschten Einsatzzweck ausgelegt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Siedekühleinrichtung eine Kühleinrichtung mit externem Kühlkreislauf, bei der der Verdampfer und der Kondensator separate Baueinheiten darstellen, welche über Kühlleitungen zur Zirkulation des Kühlmittels zwischen den Baueinheiten miteinander verbunden sind. Der Verdampfer und der Kondensator sind somit an unterschiedlichen Orten angeordnete Baueinheiten mit eigenem Gehäuse. Eine solche Kühleinrichtung kann flexibel für unterschiedliche Einsatzzwecke konfiguriert werden.
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Bei der Verwendung der soeben beschriebenen Kühleinrichtung mit externem Kühlkreislauf ist vorzugsweise eine Pumpe vorhanden, mit der die Zirkulation des Kühlmittels bewirkt wird. Die Pumpleistung der Pumpe kann dabei im Vergleich zur herkömmlichen Flüssigkeitskühlung wesentlich geringer ausgelegt sein.
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Gegebenenfalls kann die Siedekühleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch ein Wärmerohr umfassen, insbesondere eine Heatpipe und/oder einen Thermosiphon. Solche Wärmerohre sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Sie stellen ein hermetisch gekapseltes Volumen dar, in dem der Verdampfer und der Kondensator integriert sind. An einem Ende des Wärmerohrs liegt der Verdampfer und an dem anderen Ende der Kondensator. In Heatpipes wird das Kühlmittel durch Kapillarkräfte vom Kondensator zum Verdampfer rückgeführt, wohingegen in einem Thermosiphon hierzu die Schwerkraft genutzt wird. Die Verwendung von Wärmerohren zur Kühlung des thermoelektrischen Generators weist den Vorteil auf, dass bei deren Betrieb keine Pumpe benötigt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet, dass die Rückkühlung des Kondensators über ein separates Kühlmittel bewirkt wird, welches nicht dem zwischen Verdampfer und Kondensator ausgetauschten Kühlmittel entspricht. Das separate Kühlmittel ist vorzugsweise Wasser und/oder Luft. Das separate Kühlmittel kann z.B. Wasser aus einem Fluss oder einem Gewässer oder einem Meer sein, insbesondere wenn die thermoelektrische Vorrichtung aus der Abwärme eines Schiffsmotors oder eines Kraftwerks elektrische Leistung generiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Strömung des separaten Kühlmittels durch oder am Kondensator vorbei bewirkt. Hierzu kann z.B. im Falle von Luft ein Gebläse bzw. im Falle einer Flüssigkeit eine Pumpe verwendet werden. Vorzugsweise wird das separate Kühlmittel in Kühlleitungen eines Kühlkreises geführt, so dass das Kühlmittel effizient dem Kondensator zugeführt werden kann. Dieser Kühlkreislauf kann z.B. einen Kühlturm zur Rückkühlung des Kondensators umfassen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird an der ersten Seite des thermoelektrischen Generators Abgas als Wärmequelle vorbeigeführt. Ferner ist die Vorrichtung vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die erste Seite Abwärme einer industriellen Anlage aufnimmt, insbesondere einer elektrischen Energieerzeugungsanlage oder eines Hochofens. Die elektrische Energieerzeugungsanlage kann beliebig ausgestaltet sein, sofern bei der Energieerzeugung Abwärme anfällt. Zum Beispiel kann die Energieerzeugungsanlage ein fossiles Kraftwerk sein, das aus fossilen Brennstoffen Energie erzeugt (z.B. ein Gasturbinenkraftwerk). Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ggf. auch derart ausgestaltet sein, dass die erste Seite Abwärme eines Verbrennungsmotors aufnimmt, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors oder eines Schiffsmotors.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine thermoelektrische Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik; und
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2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine thermoelektrische Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Diese Vorrichtung umfasst einen thermoelektrischen Generator 1, der in an sich bekannter Weise unter Nutzung des Seebeck-Effekts basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen von zwei verschiedenen elektrischen Leitern eine Spannung erzeugt. Dabei befindet sich an der ersten Seite 101 des thermoelektrischen Generators 1 eine Wärmequelle, wohingegen die gegenüberliegende zweite Seite 102 des thermoelektrischen Generators thermisch an einen schraffiert wiedergegebenen Kühlkörper 2' gekoppelt ist. Hierdurch wird eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Seite 101 und der zweiten Seite 102 erzeugt, die wiederum zur Generierung der elektrischen Spannung führt.
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In der Vorrichtung gemäß 1 wird ein Kühlmittel im flüssigen Aggregatszustand über einen inneren Kreis mit entsprechenden Kühlleitungen 4 zwischen dem Kühlkörper 2' sowie einem schraffiert wiedergegebenen Wärmetauscher 3' ausgetauscht. Das Kühlmittel ist vorzugsweise Wasser und seine Zirkulation wird über eine Pumpe 5 bewirkt. Die Flussrichtung des Kühlmittels ist durch entsprechende Pfeile angedeutet. Der Wärmetauscher 3' ist thermisch an einen äußeren Kreis gekoppelt, der durch entsprechende Leitungen 6 angedeutet ist. In dem äußeren Kreis, der von dem inneren Kreis zwischen Kühlkörper und Wärmetauscher getrennt ist, fließt ein separates Kühlmittel, welches wiederum z.B. Wasser sein kann. Die Flussrichtung des separaten Kühlmittels ist durch Pfeile angedeutet. Über den Wärmetauscher 3' wird Wärme des im inneren Kreis geführten Kühlmittels an das Kühlmittel in den Leitungen 6 abgeführt.
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Die in 1 gezeigte Flüssigkeitskühlung ist wenig effizient und erfordert eine hohe Leistung der Pumpe 5. Ferner hat diese Flüssigkeitskühlung den Nachteil, dass die Temperatur des Kühlmittels innerhalb des inneren Kreises nicht konstant ist und insbesondere in vertikaler Richtung des Kühlkörpers 2' von unten nach oben zunimmt. Es entsteht somit ein Temperaturgradient an der Seite 102 des thermoelektrischen Generators 1, was seinen Wirkungsgrad verschlechtert.
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Zur Behebung der obigen Nachteile wird erfindungsgemäß eine Siedekühlung verwendet, wie in der Ausführungsform der 2 dargestellt ist. Die schematische Darstellung der 2 entspricht weitestgehend der 1, jedoch ist der innere Kreis nunmehr ein Siedekühlkreislauf, der anstatt eines Kühlkörpers 2' einen Verdampfer 2 und anstatt eines Wärmetauschers 3' einen Kondensator 3 enthält. Zur Unterscheidung dieser Bauteile von den Bauteilen der 1 sind der Verdampfer und der Kondensator nunmehr als weiße Rechtecke ohne Schraffur wiedergegeben. In Analogie zu 1 wird ein thermoelektrischer Generator 1 mit einer ersten Seite 101 und einer zweiten Seite 102 verwendet.
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Der thermoelektrische Generator 1 besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten flächigen thermoelektrischen Modulen, deren Anzahl je nach Einsatzbereich des thermoelektrischen Generators variieren kann. Insbesondere können zwischen 100 und 1000 Modulen vorgesehen sein. Vorzugsweise haben die Module in Draufsicht eine rechteckige Form, wobei eine Seite des Rechtecks vorzugsweise eine Länge zwischen 20 und 100 mm und die andere Seite des Rechtecks vorzugsweise eine Länge zwischen 20 und 100 mm aufweist. Die Höhe der Module liegt vorzugsweise im Zentimeterbereich, z.B. bei ca. 0,5 cm. Üblicherweise kann jedes Modul eine Leistung im Bereich von einigen Watt, z.B. 20 Watt, generieren. Die einzelnen Module sind an sich bekannt und umfassen zur Generierung von elektrischer Leitung aus Wärme zwei verschiedene elektrische Leiter, z.B. einen n-dotierten und einen p-dotierten Leiter. Ein bevorzugtes Material für den Leiter ist Bismuttellurid. Wie bereits oben erwähnt, wird durch die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Seite 101 und zweiten Seite 102 eine elektrische Spannung in jedem thermoelektrischen Modul generiert. Die Module sind elektrisch in Reihe geschaltet, so dass sich deren Einzelspannungen zu einer Gesamtspannung addieren.
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Je nach Einsatzbereich des thermoelektrischen Generators kann die erste Seite 101 thermisch an unterschiedliche Wärmequellen angebunden sein. Die Temperatur an der Heißseite 101 liegt z.B. zwischen 100°C und 500°C. In bevorzugten Varianten stellt die Wärmequelle ein heißes Abgas dar, z.B. aus einer industriellen Anlage oder aus einem Verbrennungsmotor. Die thermische Energie in diesem Abgas wird dann durch den thermoelektrischen Generator in elektrischen Strom gewandelt. Gemäß der Ausführungsform der 2 ist die zweite Seite 102 des thermoelektrischen Generators 1 thermisch an den Verdampfer 2 des Siedekühlkreislaufs angebunden. Der Siedekühlkreislauf umfasst ferner den Kondensator 3 sowie entsprechende Kühlleitungen 4, über welche Kühlmittel zwischen dem Verdampfer 2 und den Kondensator 3 ausgetauscht wird. Darüber hinaus ist eine Pumpe 5 vorgesehen, welche die Zirkulation des Kühlmittels im Siedekühlkreislauf gewährleistet.
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Gemäß dem Prinzip der Siedekühlung wird anders als in 1 die Aufnahme von Wärme über die Verdampfung des Kühlmittels in dem Verdampfer 2 bewirkt. Je nach Ausführungsform kann das Kühlmittel z.B. Wasser oder auch eine andere Flüssigkeit, wie z.B. Ethanol oder Ammoniak, sein. Das verdampfte Kühlmittel wird dann über die Leitungen 4 zu dem Kondensator 3 geführt, in dem das Kühlmittel wieder kondensiert und dann über die Pumpe 5 zurück in den Verdampfer gepumpt wird. Um die Kondensation in dem Kondensator 3 zu erreichen, wird dieser geeignet rückgekühlt. Hierzu ist in Analogie zu 1 ein äußerer Kühlkreis mit entsprechenden Leitungen 6 vorgesehen. Zum Beispiel kann in diesem Kühlkreis Wasser geführt werden. Wird mit dem thermoelektrischen Generator aus dem Abgas eines Schiffsmotors elektrische Energie generiert, so kann durch diesen Kreislauf das Wasser des Gewässers geleitet werden, in dem sich das Schiff bewegt (z.B. Salzwasser). Hierzu kann ggf. eine geeignete Pumpe (nicht gezeigt) in dem Kreislauf 6 vorgesehen sein. Die Rückkühlung des Kondensators kann auch auf andere Weise erfolgen. Zum Beispiel kann der Kondensator ggf. auch über Luft gekühlt werden, wobei hierfür insbesondere ein Gebläse zur Zufuhr von Luft zum Kondensator vorgesehen ist. Darüber hinaus kann der Kondensator auch in einen Fluss oder einen See versenkt werden. Diese Variante kommt insbesondere bei Verwendung der thermoelektrischen Vorrichtung in industriellen Anlagen, wie z.B. Kraftwerken, zum Einsatz.
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Im Unterschied zur konventionellen Flüssigkeitskühlung ist die Temperatur des Kühlmittels im inneren Siedekühlkreislauf weitestgehend konstant und liegt je nach Einsatzbereich z.B. zwischen 30°C und 100°C. Im Besonderen entsteht kein Temperaturgradient entlang des Verdampfers 2, so dass die Kaltseite 102 des thermoelektrischen Generators eine konstante Temperatur aufweist, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird. Darüber hinaus ist die Temperatur an der Kaltseite insgesamt niedriger als bei einer Flüssigkeitskühlung, was zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads führt. Ferner kann die Leistung der Pumpe 5 im Vergleich zu 1 wesentlich geringer ausgelegt sein. Die Pumpleitung liegt deutlich unter 20% der durch den thermoelektrischen Generator erzeugten elektrischen Leistung.
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Die im Vorangegangenen beschriebene Ausführungsform der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird eine effiziente Kühlung einer Seite eines thermoelektrischen Generators über eine Siedekühlung bewirkt. Durch die im Vergleich zur konventionellen Flüssigkeitskühlung sehr starke Wirkung der Siedekühlung kann bei gleicher Dimensionierung eine niedrigere Kaltseitentemperatur des thermoelektrischen Generators erreicht werden, wodurch der Wirkungsgrad steigt. Ferner ist die Temperatur des Kühlmittels im Siedekühlkreislauf im Wesentlichen konstant, so dass kein Temperaturgradient auf der Kaltseite des thermoelektrischen Generators auftritt, wodurch der Wirkungsgrad weiter verbessert wird.
