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Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsvorrichtung mit einem thermoelektrischen Generator gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Thermoelektrische Generatoren, die einen Temperaturunterschied zur Stromerzeugung ausnutzen, sind grundsätzlich bekannt.
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Allerdings haben diese thermoelektrischen Generatoren den Nachteil geringer Wirkungsgrade, sodass je nach Anwendungsfall nicht ausreichend elektrische Energie für einen Verbraucher bereitgestellt werden kann. Es besteht jedoch bei mobilen Anwendungen, insbesondere bei Fahrzeugen, insbesondere bei Arbeitsfahrzeugen, das Bedürfnis, von einer eigenen Fahrzeugstromversorgung unabhängig zu sein. Außerdem besteht der Wunsch, Batterien, die der Stromversorgung am Ort des Verbrauchers dienen und die ausgewechselt werden müssen, zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromerzeugungsvorrichtung mit einem thermoelektrischen Generator hinsichtlich ihrer Effektivität zu verbessern.
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Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der an sich bekannte thermoelektrische Generator mit zwei voneinander getrennten Anbauteilen versehen ist, wobei die beiden Anbauteile voneinander unterschiedliche Wärmeeigenschaften aufweisen.
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Die Grundidee ist also die Nutzung eines oder auch mehrerer thermoelektrischer Generatoren in Kombination mit zumindest zwei, vorzugsweise genau zwei bezüglich ihrer Wärmeeigenschaften unterschiedlicher Körper. Diese Körper sind konstruktiv unterschiedlich bezüglich ihrer Wärmekapazität und des Grades der Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung und Konvektion über die Zeit. Das Ziel ist es, eine zeitlich wechselnde Außentemperatur einer Umgebung, vorzugsweise der Einsatzumgebung der Stromerzeugungsvorrichtung bzw. des Fahrzeuges, in einen durch den zumindest einen thermoelektrischen Generator nutzbaren Temperaturunterschied Delta T abzubilden. Durch die beiden Anbauteile, die voneinander getrennt sind, wird in vorteilhafter Weise der Temperaturunterschied vergrößert, der auf den thermoelektrischen Generator einwirkt, sodass dadurch die elektrische Effizienz gesteigert wird und somit ein größeres Maß an elektrischer Energie am Ausgang des thermoelektrischen Generators bereitgestellt werden kann.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, aus denen sich entsprechende Vorteile ergeben und die darüber hinaus im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert sind.
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1 zeigt in einer Prinzipdarstellung, soweit im Einzelnen dargestellt, eine Stromerzeugungsvorrichtung 1, die einen an sich bekannten thermoelektrischen Generator 2 verwendet. Dieser thermoelektrische Generator 2 hat eine heiße und eine kalte Seite. Auf der einen Seite ist ein erstes Anbauteil 3 und auf der anderen Seite ein zweites Anbauteil 4 angeordnet, sodass diese beiden Teile 3, 4 mit der heißen und kalten Seite des thermoelektrischen Generators 2 vorzugsweise flächig verbunden sind. Diese in 1 dargestellte Stromerzeugungsvorrichtung 1 befindet sich in einer Umgebung 5, bei der es sich um den Einsatzraum der Stromerzeugungsvorrichtung 1, aber auch um einen abgeschlossenen Kontrollraum, in dem eine Außentemperatur TA herrscht, die sich verändern kann, abgeordnet ist.
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In 2 ist gezeigt, dass zwischen den Anbauteilen 3, 4 ein Isolator 6 angeordnet ist. Hierbei handelt es sich um eine ineinander gebaute Anordnung, wobei das Anbauteil 3 sowohl den thermoelektrischen Generator 2 als auch das Anbauteil 4 enthält. Das Anbauteil 4 ist also innerhalb des Isolators 6, der wiederum innerhalb des Anbauteiles 3 angeordnet ist, angeordnet, sodass die beiden Anbauteile 3, 4 durch einen wärmetechnischen Isolator verbunden sind.
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3 zeigt die Prinzipdarstellung einer Stromerzeugungsvorrichtung 1 mit einem analogen Aufbau, wie er in 1 dargestellt ist. Zusätzlich sind der thermoelektrische Generator 2 mit seinen Anbauteilen 3, 4 innerhalb eines Gehäuses 7 angeordnet. Das Gehäuse 7 befindet sich wiederum in der Umgebung 5 und oder in dem schon erwähnten Kontrollraum. Innerhalb des Gehäuses 7 sind die darin angeordneten Elemente in einem Vakuum angeordnet. Der thermoelektrische Generator 2 weist elektrische Anschlüsse 9 auf, die aus dem Gehäuse 7 herausgeführt sind und an dem eine Spannung nach dem Seebeck-Effekt (USeebeck) mit verbesserter elektrischer Leistung zur Verfügung gestellt wird. Über die elektrischen Anschlüsse 9 ist die Stromerzeugungsvorrichtung 1 zum Beispiel mit einem Wandler, insbesondere einem DC-DC-Wandler verbunden. Am Ausgang der elektrischen Anschlüsse 9 bzw. am Ausgang des Wandlers 10 steht somit eine Energieversorgung für insbesondere mobile Anwendungen mit gesteigerter Effizienz zur Verfügung.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Stromerzeugungsvorrichtung 1 dargestellt. Dabei ist zwischen den Anbauteilen 3, 4 ein Vakuum 8 angeordnet, wobei das Anbauteil 4 an dem thermoelektrischen Generator 2 von dem Vakuum 8 umgeben ist und dieses wiederum innerhalb des Anbauteiles 3 angeordnet ist. Somit bildet das Anbauteil 3 mit seiner äußeren Oberfläche quasi ein Gehäuse, womit die Stromerzeugungsvorrichtung 1 in der Umgebung 5 oder innerhalb des Kontrollraumes angeordnet ist.
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5 zeigt ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Stromerzeugungsvorrichtung
1. Die Bedeutung der einzelnen elektronischen Bauteile in diesem Ersatzschaltbild und deren Dimensionierung ist im Folgenden in der Tabelle angeführt:
| Bauteil | entspricht | Einordnung als elektr. Bauteil, relative Größe |
| C1 | Wärmekapazität Gehäuse | klein |
| C2 | Wärmekapazität Übertrager 1 | klein |
| C3 | Wärmekapazität Übertrager 2 | groß |
| C4 | Thermogenerator | (klein = Wunsch) -> bauartbedingt |
| R1 R2 | Wärmeübergang Umgebung-Gehäuse | klein bis mittel |
| R3 R5 | Wärmeübergang Gehäuse Übertrager 1 | klein |
| R4 R7 | Wärmeübergang Gehäuse Übertrager 2 | groß |
| R6 | Wärmeübergang Thermogenerator | thermisch groß, elektrisch bis klein |
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Die Dimensionierung sollte so gewählt werden, dass
- • C1 inklusive zugehöriger Widerstände kurzzeitige Schwankungen durch wechselnde Sonneneinstrahlung filtert,
- • C4 groß genug ist, um tagsüber immer kälter als C2 zu sein (inklusive Bemessung der Widerstände R3, R4, R5 und R7) und idealerweise nachts wärmer zu sein als C2 (Umkehr der Spannung muss schaltungstechnisch im DC-DC-Wandler vorgesehen sein),
- • R6 thermisch so groß ist, dass die erste Bedingung funktionieren kann und elektrisch in Bezug zum DC-DC-Wandler günstige Wandlungsraten ergibt (Wirkungsgrad der Energiewandlung thermisch zu elektrisch und der Spannungswandlung)
- • Aufbau- und Verbindungstechnik für den Thermogenerator bis zum DC-DC Wandler,
- • Vakuumtechnik insbesondere für die Durchführung von elektrischen Anschlüssen,
- • geeignete Materialien für die Wärmeübertrager und das Gehäuse (Emissionsgrad, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit),
- • Isoliermaterialien zur Befestigung des Aufbaus im Vakuumbehälter, sowie des Behälters an der Umgebungskonstruktion.
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Die beiden Anbauteile 3, 4 können beliebige geometrische Formen, wie zum Beispiel quadratische, rechteckige, dreieckige, runde, ovale oder vergleichbare Formen aufweisen. Es ist sicherzustellen, dass das jeweilige Anbauteil 3, 4 flächig mit dem thermoelektrischen Generator 2 in Verbindung gebracht wird und dass im Bereich dieser Berührungsfläche eine sehr gute thermische Anbindung zwecks ausreichender bzw. sicherer Wärmeübertragung sichergestellt ist.
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Der von einem Körper abgestrahlte Wärmestrom Q . kann über das Stefan-Boltzmann-Gesetz wie folgt berechnet werden: Q . = ∂Q / ∂t = εσAT4 wobei
- Q .: Wärmestrom bzw. Strahlungsleistung
- ε: Emissionsgrad: Die Werte liegen zwischen 0 (perfekter Spiegel) und 1 (idealer Schwarzer Körper)
- σ = 5,67·10–8 W / m²K⁴: Stefan-Boltzmann-Konstante
- A: Oberfläche des abstrahlenden Körpers
- T: Temperatur des abstrahlenden Körpers (in Kelvin)
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Der von einem Körper abgestrahlte Wärmestrom Q . kann über das Stefan-Boltzmann-Gesetz wie folgt berechnet werden: Q . = ∂Q / ∂t = εσAT4 wobei
- Q .: Wärmestrom bzw. Strahlungsleistung
- ε: Emissionsgrad: Die Werte liegen zwischen 0 (perfekter Spiegel) und 1 (idealer Schwarzer Körper)
- σ = 5,67·10–8 W / m²K⁴: Stefan-Boltzmann-Konstante
- A: Oberfläche des abstrahlenden Körpers
- T: Temperatur des abstrahlenden Körpers (in Kelvin)
- • Ist unabhängig vom umgebenden Medium,
- • Im Vakuum gibt es nur diesen Mechanismus zur Wärmeübertragung, d. h. beide Wärmeübertrager haben außer dem Thermogenerator keine Möglichkeit Energie (Wärme) auszutauschen → Delta T
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromerzeugungsvorrichtung
- 2
- Thermoelektrischer Generator
- 3
- Erstes Anbauteil
- 4
- Zweites Anbauteil
- 5
- Umgebung
- 6
- Isolator
- 7
- Gehäuse
- 8
- Vakuum
- 9
- Elektrische Anschlüsse
- 10
- Wandler
