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Die Erfindung bezieht sich auf ein thermoelektrisches System mit einer zwischen zwei Wärmeübertragereinrichtungen wärmeleitend eingebundenen thermoelektrischen Vorrichtung, insbesondere thermoelektrischen Modulanordnung, die mit einer Elektrik verschaltet ist sowie auf ein Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen Systems mit einer aus zwei Wärmeübertragereinrichtungen und einer zwischen diesen wärmeleitend eingebundenen thermoelektrischen Vorrichtung gebildeten Einheit, bei dem mittels einer Elektrik wahlweise, insbesondere in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen, ein Generatorbetrieb oder ein Wärmepumpenbetrieb durchgeführt wird.
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Ein thermoelektrisches System dieser Art ist in der
DE 10 2014 203 176 A1 angegeben. Infolge der gegenseitigen Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität kann ein derartiges thermoelektrisches System als thermoelektrischer Generator unter Erzeugung elektrischer Energie z. B. aus Abwärme oder als Wärmepumpe benutzt werden, wobei unter Aufwendung von elektrischer Energie Wärme von einem Temperaturreservoir mit niedrigerer Temperatur in eines mit höherer Temperatur transportiert werden kann. Bei diesem bekannten thermoelektrischen System sind mehrere thermoelektrische Elemente zwischen zwei Gehäuseelementen und im Abstand zueinander angeordnet.
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Die
DE 11 2018 003 232 B4 zeigt eine thermoelektrische Einheit mit einem Thermoelement, das ein Weyl-Halbmetall und eine Mehrzahl magnetisierter Elemente aufweist, um mit diesem Aufbau bei Kühl- oder Energiegewinnungsanwendungen einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erhalten.
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Auch in der Veröffentlichung Al-Nimr et al. in Energy 90 (2015) Modeling and simulation of thermoelectric device working as heat pump and an electric generator under Mediterranean climate, S. 1239 - 1250, ist ein thermoelektrisches System vorgestellt, das als Wärmepumpe oder als Generator eingesetzt wird. Dabei wird die Wärme für den Generatorbetrieb aus Sonnenwärme bezogen. Dadurch ist die Wärme- und Strombereitstellung von der Sonneneinstrahlung abhängig und die solare Energie liegt auch auf einem relativ geringen Temperaturniveau vor, wodurch die Stromerzeugung im Generatorbetrieb nicht mit hoher Effizienz erfolgen kann.
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Die Heizung von Gebäuden wird aktuell zumeist entweder über verbrennungsbasierte Heizkessel, Wärmepumpen oder Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) realisiert.
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Heizkessel können z. B. mit Erdgas oder Holzpellets betrieben werden. Der Vorteil davon sind geringe Brennstoff-Kosten und bei Holzpellets auch die bilanzielle Klimaneutralität. Außerdem sind die Investitionskosten für Heizkessel meist vergleichsweise gering.
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Der Vorteil von Wärmepumpen ist, dass diese mit elektrischer Energie betrieben werden können und damit mehr Wärme erzeugen können als Strom aufgenommen wird. Der sogenannten Leistungskoeffizient („Coefficient of Performance“, COP) gibt an, wieviel kWh Wärme aus einer kWh Strom erzeugt werden kann. Der Strom kann, wenn vorhanden, aus einer dezentralen Fotovoltaikanlage genommen werden. Dieser ist kostengünstig und klimaneutral. Allerdings ist die Leistung von Fotovoltaikanlagen im Winter sehr gering und reicht zumeist nicht aus, um den Bedarf der Wärmepumpe zu decken. In diesem Fall wird der Strom aus dem Netz bezogen und ist dann von der Zusammensetzung der Stromerzeugung abhängig, welche vor allem im Winter einen hohen CO2-Ausstoß mit sich bringt.
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Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung werden zumeist mit Erdgas betrieben. Ihr Vorteil ist, dass sie gleichzeitig Wärme und Strom erzeugen können. Im Winter ist der Heizbedarf am höchsten und die Fotovoltaikeinstrahlung am geringsten. Somit kann Strom kostengünstig und mit geringen Emissionen als Netzstrom erzeugt werden.
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Bisher bekannte Anlagen der genannten Art weisen hinsichtlich einer wirtschaftlichen und ökologischen Betriebsweise wesentliches Optimierungspotential auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermoelektrisches System und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen bereitzustellen, das hinsichtlich einer effizienten und ökologischen Betriebsweise optimiert ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem thermoelektrischen System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bei dem Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen Systems mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorteilhaft gelöst.
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Bei dem thermoelektrischen System ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Wärmeübertragereinrichtung als äußere Wärmeübertragereinrichtung genutzt ist und eine Wärmeübertragereinrichtung als innere Wärmeübertragereinrichtung ausgebildet ist, die von einem beheizten inneren Fluid durchströmbar ist oder einen von einem, insbesondere gasförmigen, inneren Fluid durchströmbaren und aufheizbaren Innenraum zumindest teilweise umgibt.
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Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass mittels der Einheit ein von einer umfangsseitig umlaufenden Innenfläche einer inneren der beiden Wärmeübertragereinrichtungen umschlossener Innenraum gebildet wird, der von einem inneren Fluid durchströmt wird, wobei im Generatorbetrieb das durchströmende innere Fluid mittels einer Heizvorrichtung, insbesondere einer Brennervorrichtung, aufgeheizt wird und im Wärmepumpenbetrieb das durchströmende innere Fluid nicht mit einer Heizvorrichtung aufgeheizt wird, insbesondere aus Umgebungsluft zugeführt wird.
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Durch diesen Aufbau ist das thermoelektrische System im Generatorbetrieb mittels des heißen Fluids mit relativ hohem Wirkungsgrad betreibbar und bietet zudem einen kompakten, gut funktionsfähigen Aufbau zum Durchleiten eines auf niedrigem Temperaturniveau, insbesondere bei Umgebungstemperatur, befindlichen Fluids für einen wahlweisen Wärmepumpen-Betrieb, wobei als inneres Fluid vorteilhaft Umgebungsluft verwendbar ist.
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Mit dem Verfahren wird eine effiziente und ökologisch vorteilhafte Betriebsweise erreicht.
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Eine für den Aufbau und die wahlweise Funktion als Generator oder Wärmepumpe vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass der Innenraum in seinem rechtwinklig zur Strömungsrichtung liegenden Querschnitt ringsum mittels einer Innenwandung umschlossen ist, die insbesondere ganz oder teilweise von der inneren Wärmeübertragungseinrichtung gebildet ist.
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Ein effizient betreibbares, verbrennungsbasiertes System für den Generatorbetrieb wird vorteilhaft dadurch erhalten, dass der Innenraum stromabseitig an einen Brennraum anschließt oder einen Brennraum umfasst. Dabei bleibt auch der vorteilhafte Aufbau für den Wärmepumpenbetrieb erhalten.
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Für den Aufbau und eine effiziente Funktion sind des Weiteren die Maßnahmen von Vorteil, dass die thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere die thermoelektrische Modulanordnung, die innere Wärmeübertragungseinrichtung im Querschnitt umfangsseitig umgibt und dass die äußere Wärmeübertagereinrichtung die thermoelektrische Vorrichtung umfangsseitig umgibt.
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Eine vorteilhafte Einsatzmöglichkeit, wie z. B. zur Gebäudeklimatisierung, ergibt sich dadurch, dass die äußere Wärmeübertragereinrichtung, von einem wärmetransportierenden äußeren Fluid durchströmbar oder umströmbar ist.
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Eine für den Aufbau und die Funktion weitere vorteilhafte Ausgestaltung des thermoelektrischen Systems besteht darin, dass die Elektrik zum Umschalten der thermoelektrischen Vorrichtung, insbesondere thermoelektrischen Modulanordnung, zwischen einem eine elektrische Spannung bereitstellenden Generatorbetrieb und einem eine Temperaturdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite der thermo-elektrischen Vorrichtung erzeugenden Wärmepumpenbetrieb vermittels einer angelegten Spannung ausgebildet ist, wobei
- - im Generatorbetrieb das die innere Wärmeübertragereinrichtung oder den Innenraum durchströmende innere Fluid aufgeheizt ist und
- - im Wärmepumpenbetrieb das die innere Wärmeübertragereinrichtung oder den Innenraum durchströmende innere Fluid bei einer Polung der angelegten Spannung als Wärmequelle zum Zuführen von Wärme über die thermoelektrische Vorrichtung zu der äußeren Wärmeübertragereinrichtung genutzt ist oder bei umgekehrter Polung der angelegten Spannung als Wärmesenke zum Abführen von Wärme aus der äußeren Wärmeübertragereinrichtung über die thermoelektrische Vorrichtung genutzt ist.
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Ein effizienter Betrieb des thermoelektrischen Systems wird dadurch unterstützt, dass zum Durchströmen der inneren Wärmeübertragereinrichtung oder des Innenraums mittels des inneren Fluids ein Gebläse vorhanden ist.
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Ein effizienter, vorteilhaft steuerbarer bzw. regelbarer Betrieb, insbesondere im Generatorbetrieb, wird dadurch erreicht, dass zum Aufheizen des inneren Fluids eine Heizvorrichtung, insbesondere eine Brennervorrichtung, vorhanden ist.
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Eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit wird dadurch geschaffen, dass die äußere Wärmeübertragereinrichtung als Teil einer Gebäudeklimatisierungseinrichtung ausgebildet bzw. genutzt ist.
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Zu einer effizienten und ökonomischen Betriebsweise tragen ferner die Maßnahmen bei, dass die Elektrik ein Steuerteil aufweist, mit dem die thermoelektrische Vorrichtung im Generatorbetrieb zur Bereitstellung einer maximalen elektrischen Leistung betreibbar ist.
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Vorteilhafte Betriebsweisen bei dem Verfahren bestehen darin, dass die Verbrennung mittels der Brennervorrichtung im Innenraum durchgeführt und/oder, dass das innere Fluid mittels eines Gebläses durch den Innenraum geströmt wird.
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Eine vorteilhafte Anwendung des Verfahrens besteht darin, dass die äußere Wärmeübertragereinrichtung von einem wärmetransportierenden Fluid einer Gebäudeklimatisierungseinrichtung durchströmt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines thermoelektrischen Systems mit einer im Längsschnitt dargestellten Einheit aus zwei Wärmeübertragereinrichtungen und einer zwischen diesen eingebetteten thermoelektrischen Modulanordnung bei einer Beschaltung im Generatorbetrieb und
- 2 das thermoelektrische System nach 1 bei Beschaltung im Wärmepumpenbetrieb.
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1 zeigt ein thermoelektrisches System 1 mit einer im Längsschnitt dargestellten Einheit 5 aus zwei Wärmeübertragereinrichtungen und einer zwischen diesen wärmeleitend angeordneten thermoelektrischen Vorrichtung, die als thermoelektrische Modulanordnung 40 ausgebildet und mit einer Elektrik 4 verbunden ist.
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Die Einheit 5 umgibt umfangsseitig einen Innenraum 21, der einen Strömungskanal für ein inneres Fluid mit einem Massenstrom ṁA durch einen inneren Bereich 2 bildet, wobei der Innenraum 1 im Querschnitt von der inneren Wärmeübertragereinrichtung 20 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig ringsum umschlossen ist und die äußere Wärmeübertragereinrichtung 30 der beiden Wärmeübertragereinrichtungen außen auf der thermoelektrischen Modulanordnung 40 aufgebracht ist und die Einheit 5 außen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig ringförmig umgibt und von einem äußeren Fluid mit dem Massenstrom ṁB in dem äußeren Bereich 3 durchströmt ist. Dabei kann die Durchströmung der äußeren Wärmeübertragereinrichtung 30 z. B. im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung des inneren Fluids durch den Innenraum 21 gerichtet sein, wie in der Fig. beispielhaft gezeigt.
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Die den Innenraum 21 begrenzende innere Wandfläche kann vorteilhaft z. B. mit Längsrippen oder einer anderen Struktur versehen sein, um eine vergrößerte, gut wärmeübertragende Fläche auszubilden, die auch strömungsgünstig ausgestaltet ist, um einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem inneren Fluid und der angrenzenden inneren Wärmeübertragereinrichtung 20 zu bewirken. Entsprechend ist auch das Material der inneren Wärmeübertragereinrichtung 20 zum Zwecke einer möglichst guten Wärmeübertragung gewählt. Zudem sind auch Volumen und umgebende Wandfläche des Innenraums 21 hinsichtlich einer optimalen Wärmeübertragung aus dem inneren Fluid an die innere Wärmeübertragereinrichtung 20 und zur Weiterleitung an die äußere Wärmeübertragereinrichtung 30 über die thermoelektrische Modulanordnung 40 abgestimmt. Die äußere Wärmeübertragereinrichtung 30 ist beispielsweise mit einem im Querschnitt ringförmig umlaufenden Strömungskanal oder mit mehreren bzw. einer Vielzahl von darin ausgebildeten Strömungskanälen versehen, um eine möglichst effiziente Wärmeübertragung zwischen dem inneren und dem äußeren Fluid zu erreichen. Das innere Fluid ist vorzugsweise ein gasförmiges Fluid, z. B. Umgebungsluft. Das äußere Fluid ist vorteilhaft z. B. ein flüssiges Fluid, wie z. B. Wasser für eine Gebäudeklimatisierungseinrichtung bzw. Gebäudeheizung. Die innere Wärmeübertragereinrichtung 20 und die äußere Wärmeübertragereinrichtung 30 sowie auch die dazwischen eingebettete thermoelektrische Modulanordnung 40 können z. B. konzentrisch zueinander angeordnet sein.
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1 zeigt die Beschaltung der Einheit 5 für einen Generatorbetrieb, wobei in der thermoelektrischen Modulanordnung 40 infolge des Seebeck-Effekts zwischen einer warmen und einer kalten Seite der thermoelektrischen Modulanordnung 40 eine elektrische Spannung erzeugt wird, die durch die Beschaltung der Elektrik 4 abgegriffen wird. Die Elektrik 4 umfasst dafür vorteilhaft einen Steuerteil 42 (MPPT), mit dem die thermoelektrische Vorrichtung bzw. Modulanordnung 40 zum Erzielen eines maximalen elektrischen Stroms bzw. zur Bereitstellung einer maximalen elektrischen Leistung betreibbar ist. Im Generatorbetrieb wird vorliegend das innere Fluid mittels einer Heizvorrichtung 50, insbesondere auf Basis eines Verbrennungsprozesses erhitzt, um die den Innenraum 21 umgrenzende Fläche der inneren Wärmeübertragereinrichtung 20 mit Wärme zu beaufschlagen, sodass sich eine entsprechend hohe Temperaturdifferenz zu der der äußeren Wärmeübertragereinrichtung 30 zugekehrten Außenseite der thermoelektrischen Modulanordnung 40 ergibt, die mit dem entsprechend niedrigeren Temperaturniveau des äußeren Fluids beaufschlagt ist. Die Strömung des insbesondere verbrennungsbasiert aufgeheizten inneren Fluids wird dabei vorteilhaft von einem Gebläse 50 unterstützt, das vorliegend stromaufseitig angeordnet ist, jedoch alternativ oder zusätzlich auch stromabseitig angeordnet sein kann. Die Heizvorrichtung 50 ist also vorzugsweise als Brennervorrichtung ausgebildet und stromaufseitig des Innenraums 21 oder alternativ innerhalb des Innenraums 21 angeordnet. Bei Anordnung im Innenraum 21 ist die Umwandung des Brennraums hinsichtlich seiner thermischen Stabilität geeignet ausgebildet. Mittels der Heizvorrichtung 50 kann auch eine vorteilhafte Temperatursteuerung bzw. Regelung im Generatorbetrieb vorgenommen werden.
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Zudem lässt die im Zusammenhang mit 1 beschriebene Ausbildung des thermoelektrischen Systems 1 auch einen vorteilhaften, effizienten Wärmepumpenbetrieb zu, wie in 2 schematisch dargestellt. Hierbei ist die Heizvorrichtung 50 nicht in Betrieb gesetzt und der Innenraum 21 wird mit einem nicht aufgeheizten Fluid, insbesondere Umgebungsluft, durchströmt. Die thermoelektrische Modulanordnung 40 ist dazu mittels der Elektrik 4 über eine Umschaltvorrichtung an eine Spannungsquelle 41 angeschlossen, um aufgrund des Peltier-Effekts eine kältere und eine wärmere Seite der thermoelektrischen Modulanordnung 40 zu erzeugen. Je nach Polung der an die thermoelektrische Modulanordnung 40 gelegten Spannung kann dabei die kältere Seite auf der der inneren Wärmeübertragereinrichtung 20 zugekehrten Seite oder auf der der äußeren Wärmeübertragereinrichtung 30 zugekehrten äußeren Seite der thermoelektrischen Modulanordnung 40 erzeugt werden. Ist die Polung der angelegten Spannung so, dass die innere Seite der thermoelektrischen Modulanordnung 40 erwärmt wird, fungiert das innere Fluid bzw. die Luft im Inneren als Wärmequelle und Wärme wird von dem nicht aufgeheizten, insbesondere auf Umgebungstemperatur befindlichen inneren Fluid, vorzugsweise Umgebungsluft, von der inneren Wärmeübertragereinrichtung 20 über die thermoelektrische Modulanordnung 40 an die äußere Wärmeübertragereinrichtung 30 und darüber an das äußere Fluid, beispielsweise Heizungswasser, übertragen. Somit wird das äußere Fluid mittels elektrischer Energie erwärmt, und zwar mit einem höheren Leistungskoeffizienten COP als z. B. bei einem Widerstandsheizelement. Dies kann z. B. bei einem Stromüberschuss im Sommer zweckmäßig sein, beispielsweise wenn Warmwasser benötigt wird. Bei umgekehrter Polung der Spannung bzw. umgekehrtem Stromfluss durch die thermoelektrische Modulanordnung 40 kann umgekehrt Wärme von dem äußeren Fluid, beispielsweise Heizungswasser, an das vorzugsweise gasförmige innere Fluid, insbesondere Umgebungsluft, abgegeben werden. Dann dient das innere Fluid bzw. die Luft im Innenraum 21 als Wärmesenke, wobei das äußere Fluid, beispielsweise Heizungswasser, gekühlt wird und Wärme aus dem Gebäude aufnimmt, womit eine Klimatisierung erreicht wird. Im Wärmepumpenbetrieb kann dasselbe Gebläse 60 wie im Generatorbetrieb genutzt werden. Im Wärmepumpenbetrieb kann also Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau übertragen werden, wobei die Richtung der an die thermoelektrische Modulanordnung 40 angelegten Spannung die Richtung des Wärmeflusses angibt, d. h. das äußere Fluid gekühlt oder beheizt wird.
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Das thermoelektrische System 1 kann beispielsweise bei einer Gasheizung angewandt werden, bei der im Generatorbetrieb Gas verbrannt und das so aufgeheizte Gas als inneres Fluid durch die innere Wärmeübertragereinrichtung 20 geströmt wird. Im Wärmepumpenbetrieb findet keine Verbrennung statt und das innere Fluid befindet sich auf Umgebungstemperatur. Das äußere Fluid, beispielsweise das Wasser aus der Gebäudeheizung, kann je nach Polung der angelegten Spannung dabei mit einem Leistungskoeffizient COP >1 erwärmt oder abgekühlt werden, womit eine elektrische Gebäudeheizung oder Gebäudekühlung erhalten wird. Alle Funktionen sind integriert in einem kompakten Gerät, das vorteilhaft nicht größer als eine gebräuchliche Gasheizung ist. Entsprechend funktioniert das dargestellte thermoelektrische System 1 und die Betriebsweise bei klimaneutralen Alternativen zu Gasheizungen wie wasserstoff- oder biomassebetriebenen Heizkesseln.
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Das vorgestellte thermoelektrische System 1 kombiniert damit vorteilhaft Generatorbetrieb und Wärmepumpenbetrieb und stellt Wärme und Strom bereit, wobei in vorteilhafter Weise ein verbrennungsbasierter Prozess genutzt wird, z. B. wenn der Netzstrom unökologisch oder unökonomisch ist. Im Vergleich zu einer KWK-Anlage kann neben der Strom- und Wärmeerzeugung auch die Wärmepumpenfunktion genutzt werden. Damit bieten sich wirtschaftliche und ökologische Vorteile. Das thermoelektrische System 1 kann vorteilhaft im privaten Gebäudesektor angewendet werden, daneben aber auch im gewerblichen Umfeld.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014203176 A1 [0002]
- DE 112018003232 B4 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Al-Nimr et al. in Energy 90 (2015) Modeling and simulation of thermoelectric device working as heat pump and an electric generator under Mediterranean climate, S. 1239 - 1250 [0004]
