DE102020000506A1

DE102020000506A1 - Verfahren zur autarken Stromerzeugung mittels Thermoelektrischer Generatoren.

Info

Publication number: DE102020000506A1
Application number: DE102020000506.3A
Authority: DE
Inventors: Herbert Gerecke; Heiko Jahnel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2021-07-22

Abstract

KurzfassungTechnisches Problem der Erfindung = technische Aufgabe und Zielsetzung.Die Erfindung betrifft Verfahren zur autarken, kostengünstigen Stromerzeugung mittels Thermoelektrischer Generatoren (TEG) durch Nutzung von Abwärme, insbesondere bei Industrieprozessen oder bei Erdspeichem, welche derzeit ungenutzt in die Atmosphäre bzw. Erde abgegeben wird.Lösung des Problems bzw. der technischen AufgabeEine Anordnung von beliebig vielen TEG's auf Flächen von mit einem Temperaturunterschied von größer 60K zur Umgebung generieren aufgrund des Seebeckeffekts eine elektrische Leistung, welche durch Reihen- und Parallelschaltungen auf einen gebrauchsfertigen Strom- und Spannungslevel gebracht werden kann.AnwendungsgebietDie Anordnung ermöglicht durch beliebige Kombinationen von Serien- und Parallelschaltungen von TEG's gleichen Bautyps an luftgekühlten Kondensatoren oder thermischen Erdspeichem praktisch unbegrenzte Strom- und Spannungsabstufungen. Bei Industrieprozessen oder auch in der Klimatechnik entstehen große Abwärmepotenziale, welche durch diese Technik genutzt werden; z.B. in Serverräumen der Datenverarbeitung.Der gewonnene Strom kann als Eigenbedarf der Anlage den Gesamtwirkungsgrad verbessern. Der generierte Strom bei der Anwendung in Erdspeichem kann als Batterie externe Quellen versorgen.

Description

Technische Beschreibung
Die Erfindung betrifft Verfahren zur autarken Stromerzeugung mittels Thermoelektrischer Generatoren (TEG's), die physikalisch eine Temperaturdifferenz benötigen die in den Verfahren durch luftgekühlte Kondensatoren und thermische Erdspeicher hergestellt werden.
Stand der Technik
Der TEG hat eine warme und kalte Seite. Bei einem Delta T von 60 K wird aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Leistung generiert. Es sind 4 bis 5% Wirkungsgrad zu erwarten. Die USA, Japan und die Schweiz arbeiten an neuen Materialkombinationen mit n und p Dotierungen, so dass in den nächsten Jahren etwa 10% Wirkungsgrad zu erwarten sind.
Eine Umkehrung des Effekts ist das Peltierelement. Hier wird eine DC-Spannung angelegt und es entsteht eine warme und eine kalte Seite. Die kalte Seite wird für Kühlzwecke benutzt und die warme Seite zur Warmhaltefunktion.
Anwendungen sind zurzeit in der Raumfahrt zu finden und weiterhin in kleinen Insellösungen die keine Wartung benötigen. Verbreitet sind auch thermoelektrische Kühlboxen für den mobilen Transport.
Darstellung der Erfindung
Der Thermoelektrische Generator ist die einzige Materialkonstellation die Wärme direkt in elektrischen Strom umwandelt.
In allen Industrieprozessen entsteht ein großes Abwärmepotenzial, das nur teilweise genutzt wird. Typisches Beispiel ist die Klimatechnik in Serverräumen der Datenverarbeitung. Hier ist der Einsatz von TEG's sinnvoll.
Eine Anordnung von TEG's auf der Kondensatorfläche als warme Seite und die Ventilatorseite als kalte Seite, generiert eine elektrische Leistung. Die Anordnung der TEG's ergibt sich aus den unterschiedlichen Kondensatorkonstruktionen.
Bei einer Kondensationsleistung von 1 MW werden ca. 40 kW elektrische Leistung generiert. So wird z.B. die Lüfterleistung oder Pumpenleistung substituiert. Da Klimaanlagen für Serverräume rund um die Uhr laufen, wird hier mit wenig Aufwand der Gesamtwirkungsgrad der Anlage verbessert.
Ein weiteres Verfahren zur autarken Stromerzeugung bietet nach 1 ein thermischer Erdspeicher, der durch Abwärme oder Solarwärme gespeist wird.
Der Erdspeicher (4) besteht aus Beton (1) in dem ein Blechrahmen (2) eingebettet ist. Der Erdspeicher ist mit einer Wärmedämmung (3) versehen.
Gemäß der 1 ist der Blechrahmen jetzt offen zum Speicher und mit mech. Versteifungen (5) versehen, die gleichzeitig eine Flächenvergrößerung darstellen, um einen besseren Wärmeübergang zu gewährleisten.
Der Speicherinhalt (Wasser, Wärmeträgeröl oder Ähnliches) stellt die warme Seite für die TEG's (8) dar. Die kalte Seite ist eine zweite Blechplatte (6), die ebenfalls mit Versteifungen (7) und Flächenvergrößerungen ausgestattet ist. Die Zwischenräume (9) sind mit Wärmedämmung versehen, so dass die Temperaturdifferenz direkt am TEG liegt.
Solange eine Temperaturdifferenz anliegt, fungiert der Erdspeicher als Batterie. Bei geeigneter Größe und Solareintrag ist hier eine preiswerte und wartungslose Insellösung für Entwicklungsländer gegeben. Weiterhin bietet das Verfahren auch die Möglichkeit der elektrischen Einspeisung für Funkmasten der Kommunikation oder militärische Anlagen.
Die Ausführung des thermischen Speichers ist als Erdspeicher nicht zwingend, er kann auch stehend ausgeführt werden.
Da in einigen Anwendungsfällen nicht immer eine kontinuierliche Stromabnahme gewährleistet ist und als Folge der Speicher sich unnötig entlädt, ist nach 2 ein schaltbarer Erdspeicher konzipiert worden.
Erfindungsgemäß sind hier Trennwände rechts und links im Speicher eingezogen worden, um eine thermische Trennung zu gewährleisten. Die Trennwände sind aus Beton (10) und einer Wärmedämmung (11) aufgebaut. Ein Durchgang ist mit einer schaltbaren Pumpe (12) versehen und ein zweiter Durchgang mit einer Rückschlagklappe (13). Dadurch kann der heiße Speicherinhalt zu den TEG's einschließlich Wärmeübertragungsflächen gepumpt werden. Nach Wärmeabgabe fließt das Speichermedium wieder über die Rückschlagklappe (13) in den Speicher zurück.
Infolge der Pumpenabschaltung bricht auch die Temperaturdifferenz zusammen und somit die Stromproduktion.
Sollen alle vier Wände Strom produzieren, so ist ein Speicher im Speicher notwendig, das heißt der innere Speicher wird komplett durch den Pumpenbetrieb umspült, beziehungsweise abgeschaltet.

Claims

Verfahren zur autarken Stromerzeugung mittels Thermoelektrischer Generatoren (TEG's), die physikalisch eine Temperaturdifferenz benötigen die in den Verfahren durch luftgekühlte Kondensatoren und thermische Erdspeicher hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass luftgekühlte Kondensatoren der Klimatechnik mit TEG's versehen werden und je nach Konstruktion unterschiedlich angeordnet werden, um die warme Seite zu gewährleisten.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Ventilatorseite die kalte Seite der TEG's darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet, dass die DC-Spannungen der TEG's, durch Reihen- und Parallelschaltungen auf einen gebrauchsfertigen Strom- und Spannungslevel gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in einem thermischen gedämmten Erdspeicher aus Beton eine Wärmeübergangsfläche zur Erde geschaffen wurde, in der TEG's installiert wurden. Die Wärmeübergangsfläche zum Speicher stellt die warme Seite dar, die Wärmeübergangsfläche zur Erde die kalte Seite, so dass an den TEG's eine Temperaturdifferenz anliegt. Weiterhin ist die Wärmeübergangsfläche an einem Blechrahmen angeschlossen, der im Beton eingebettet ist. Die Wärmeübergangsflächen sind gleichzeitig mechanische Versteifungen um die Grundfläche zu stabilisieren.
Verfahren nach Anspruch 1 und 5 ist gekennzeichnet dadurch, dass in den Hohlräumen zwischen den TEG's eine Dämmung angebracht ist, so dass die Temperaturdifferenz direkt am TEG anliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die DC-Spannungen der TEG's, durch Reihen und Parallelschaltung auf einen gebrauchsfertigen Strom- und Spannungslevel gebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass durch eine thermische Trennung im Speicher und der Installation einer Pumpe und Rückschlagklappe der Speicher in seiner Stromerzeugung abgeschaltet werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass alle vier Wände stromerzeugend sind ein Speicher im Speicher installiert werden muss.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch gekennzeichnet dadurch, dass der Speicher stehend oder als Erdspeicher ausgeführt werden kann.