DE19531765A1 - Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer EnergieInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung
von elektrischer Energie aus thermischer Energie gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Tatsache, daß Peltierelemente zur Erzeugung elektrischer
Energie verwendet werden können, ist als Umkehrung der weitläu
fig genutzten Kühlwirkung von Peltierelementen bekannt, wenn
auch nicht wirtschaftlich genutzt.
Die Ursache hierfür liegt zum einen in einem gegenüber der Pho
tovoltaik geringeren Wirkungsgrad als auch in den Problemen bei
der Schaffung eines guten Wärmeübergangs zwischen den beiden
Seiten der Peltierelemente.
Peltierelemente haben jedoch gegenüber der Photovoltaik den
Vorteil, daß sie jede Art thermischer Energie, d. h. auch sehr
langwellige Strahlung in elektrische Energie umzusetzen
vermögen, während herkömmliche photovoltaische Elemente aus
Silizium nur für Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts
sowie des nahen IR nutzbar sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit der elek
trischen Energieversorgung mittels Peltierelementen zu schaf
fen, die mit geringem mechanischen Aufwand eine möglichst weit
gehende Ausnutzung der Energie erlaubt, die der aufnehmenden
Seite der Peltierelemente zugeführt wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen
Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden Peltierelemente in einer Größe und An
zahl verwendet, die unter Berücksichtigung ihrer Wärmedurch
gangszahlen in der Lage sind, die der aufnehmenden Seite zuge
führte Temperatur ohne Bildung einer zu starken Wärmesenke an
die andere Seite unter Ausnutzung der Energie zu überführen.
Während also zur Realisierung des gleichen Ergebnisses ohne die
Erfindung hohe Anpreßdrücke der Seiten an die Peltierelemente
notwendig gewesen wären, werden jetzt die Peltierelemente in
einer großen Anzahl und homogen verteilt zwischen den Seiten
angeordnet, so daß die Temperatursenke an jeder Kontaktstelle
jedes Peltierelements geringer ist, als bei Verwendung weniger
konzentrierter Peltierelementarrays. Die Tatsache, daß jetzt
jeder Wärmeübergang an einem Peltierelement eine geringere
Wärmesenke darstellt, hat zu Folge, daß der Aufwand zur
Schaffung eines guten Wärmeübergangs erheblich reduziert werden
kann. Es werden so viele Peltierelemente verwendet, daß die
Peltierelemente in der Lage sind, die durchschnittlich,
vorzugsweise maximale zugeführte thermische Energie an die
andere Seite zu überführen.
Die vorliegende Erfindung bietet somit den Vorteil, daß der
Wärmedurchgangswert der Peltierelemente zur Konstruktion von
homogenen Vielfachanordnungen berücksichtigt wird, was eine op
timale Anpassung der Anordnung an die vorherrschenden physika
lischen Bedingungen, wie Höhe der thermisch zugeführten Ener
gie, Höhe der Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten, Geo
metrie, Anordnung und thermische Isolationseigenschaften des
verwendeten Peltierelementtyps ermöglicht.
Die Peltierelemente sind vorzugsweise äquidistant zueinander
über die Gesamtfläche zwischen den Seiten angeordnet. Hierdurch
wird erreicht, daß ein gleichmäßiger Wärmetransport zwischen
den Seiten erzielt wird. Die ohne die Erfindung notwendige
Schaffung eines möglichst guten Wärmeübergangs zum Peltierele
ment als Temperatursenke durch hohe Anpreßdrücke auf beide Sei
ten und der damit verbundene extrem hohe mechanische Aufwand
werden somit umgangen.
Die temperaturaufnehmende Seite ist vorzugsweise an die Geome
trie einer thermischen Energiequelle angepaßt. Dies wird durch
den in beiden Flächenrichtungen der Vorrichtung auseinanderge
zogenen "entzerrten" Einsatz einer Vielzahl von Peltierelemen
ten ermöglicht. Hierdurch können selbst bei stark gebogenen
oder abgewinkelten Vorrichtungen, wie Zylindern oder Kuben
plane Peltierelemente verwendet werden.
Die Dimensionierung der Vorrichtung, d. h. die Anzahl und Größe
der zu verwendenden Peltierelemente muß unter Berücksichtigung
der zugeführten thermischen Energie erfolgen. Geht man von der
Nutzung der Strahlungswärme der Sonne in unseren Breitengraden
aus, so beträgt die auf 1 qm eingestrahlte Leistung 1000 W.
Beträgt die dabei zu erwartenden Temperaturdifferenz 60 K und
hat ein Peltierelementenpaar einen Wärmedurchgangswert k von
0,015 W/cm * K, eine Fläche von 0,25 cm² und eine Stärke von 0,5
cm, so müssen für einen qm Fläche 2700 Elemente verwendet wer
den, was etwa einem gegenseitigen Abstand der Elemente von 1,5
cm entspricht.
Die elektrische Isolierung und Ausbildung der temperaturaufneh
menden Seite ist entsprechend dem Anwendungsfall ausgebildet.
Soll eine Wärmeanbindung an ein elektrisch isolierendes Fluid,
wie z. B. Öl oder Umgebungsluft hergestellt werden, so können
die Peltierelementenpaare zumindest an ihrer aufnehmenden Seite
ohne eine Isolation verwendet werden, was die Temperaturanbin
dung verbessert. Im Falle der Verwendung einer Isolation sollte
diese möglichst dünn und gut wärmeleitend sein, um neben den
Peltierelementen einen weiteren Wärmeübergang zu vermeiden.
Ein Problem bei der Nutzung des Temperaturgefälles zwischen den
beiden Seiten besteht in dem thermischen Kurzschluß durch die
Bereiche zwischen den Peltierelementen. Diese Bereiche können
somit entweder unter Vakuum versiegelt oder mit einer
hochisolierenden Schicht, z. B. Polystyrol ausgeschäumt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand eines Aus
führungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegende schematische
Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht auf einen thermoelektrischen
Generator gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Spezialanordnung zur Nutzung
der Abwärme/-kälte eines Anlagenrohres,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Anordnung zur Nutzung des
Temperaturgefälles zwischen Wasser und Luft, und
Fig. 4 eine Seitenansicht gemäß Fig. 1 einer weiteren Aus
führungsform der Erfindung mit gleichmäßig
beabstandeten Elementen.
Fig. 1 zeigt einen planen thermoelektrischen Generator 10
mit einer oberen temperaturaufnehmenden Seite 12 und einer un
teren temperaturabstrahlenden Seite 14. Jede Seite besteht aus
einer äußeren Kupferdeckschicht 16, 18, welche elektrisch über
dünne wärmeleitende Kunststoffolien, Eloxier- oder
Lackschichten 20, 22 gegen Peltierelementenpaare 24, 26 isoliert
sind. Jeweils ein Elementenpaar 24, 26 bildet ein Peltierelement
28.
Die Peltierelemente 28 sind gleichmäßig beabstandet über die
gesamte Fläche zwischen den Seiten 12, 14 sowohl in der Zeichen
ebene als auch senkrecht dazu angeordnet. Die Peltierelemente
sind über Metallbrücken 30 elektrisch miteinander verbunden.
Die äußeren Metallbrücken sind mit elektrischen Kabeln 32 ver
bunden, an deren äußeren Enden 34, 36 die "Thermospannung" ab
greifbar ist. Die Zeichnung zeigt lediglich schematisch einen
kleinen Ausschnitt eines thermoelektrischen Generators. Die
Fläche der Seiten 12, 14 kann mehrere Quadratmeter betragen. Die
Anzahl der Peltierelemente 28 zwischen den Seiten kann für eine
optimale Energiegewinnung mittels der Erfindung durch die an
der temperaturaufnehmenden Seite eingestrahlte Leistung unter
Berücksichtigung der Geometrie und Wärmeleitfähigkeit der Pel
tierelemente bestimmt werden. Von Vorteil hierbei ist, daß es
nicht notwendig ist, durch hohe Anpreßdrücke der Seiten 12, 14
gegen die Peltierelemente 28 einen guten Wärmeübergang zu er
zielen, sondern durch Verwendung einer der zu transportierenden
Leistung entsprechende Vielzahl an Peltierelementen wird der
Wärmeübergang entzerrt und auf viele klein Wärmesenken ver
teilt. Der thermoelektrische Generator kann also ohne einen me
chanisch schwierig zu realisierenden Anpreßdruck auf die Seiten
unter Verwendung üblicher Klebe- und Löttechniken realisiert
werden.
Der in Fig. 1 abgebildete thermoelektrische Generator kann für
alle Arten der Nutzung von Abwärme oder Abkälte verwendet wer
den. In den meisten Fällen wird es erforderlich sein, die tem
peraturabgebende Seite 14 mit einem Wärmetauscherkörper mög
lichst hoher Leistung zu versehen, um die Temperaturdifferenz
zwischen beiden Seiten 12, 14 so groß wie möglich zu halten, was
sich wiederum günstig auf die zu erzielende Leistung auswirkt.
Fig. 2 zeigt einen thermoelektrischen Generator, der an die
Verwendung der Abwärme von Rohren angepaßt ist. Zu Fig. 1 iden
tische oder funktionsgleiche Teile sind hierbei mit identischen
Bezugszeichen versehen.
Der dargestellte Querschnitt zeigt ein Rohr 40, in dem Gas,
Dampf oder ein anderes Fluid geführt ist, welches Fluid zu wär
men oder zu kühlen ist. Das Rohr wird an seiner äußeren Mantel
fläche in gutem Wärmekontakt mit der ersten Seite 12 des
thermoelektrischen Generators angeordnet, welche Seite 12 die
Abwärme des in dem Rohr strömenden Fluids aufnimmt, bzw. als
Kaltseite der Vorrichtung dient, falls die Kälte des in dem
Rohr strömenden Fluids zu nutzen ist. Der in der Zeichnung der
Übersichtlichkeit halber gezeigte Spalt existiert also in
Wirklichkeit nicht. Vielmehr ist jeder zusätzliche
Wärmeübergang zu vermeiden.
Die temperaturabgebende Seite 14 des thermoelektrischen Genera
tors ist mit einem (nicht dargestellten) Kühlkörper versehen,
um die Abstrahlung zu verbessern. Die zwischen den Seiten 12, 14
vorgesehenen Peltierelemente 28 können in herkömmlicher Bauart
plan ausgebildet sein und müssen nicht an die zylindrische Bau
form des Generators angepaßt sein. Dies ist möglich weil jedes
Peltierelement durch die Entzerrung des Wärmeübergangs auf
viele kleine Stellen nur mit einem kleinen, quasi planen Aus
schnitt der Seiten 12, 14 in Kontakt ist.
Fig. 3 zeigt eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen ther
moelektrischen Generators. Auch hier sind zu Fig. 1 identische
oder funktionsgleiche Teile mit identischen Bezugszeichen ver
sehen. Der thermoelektrische Generator 10 ist durch Schwimmkör
per 42 auf einer Wasseroberfläche 44, z. B. einem See oder einem
Fluß gehalten. Die temperaturabgebende Seite 14 ragt nach unten
und ist in Kontakt mit der Wasseroberfläche 44. Die tempera
turaufnehmende Seite 12 ragt nach oben und ist mit einem
Kühlkörper 46 versehen. Im Sommer wird hierbei die Kühlwirkung
des Wassers ausgenutzt. Im Winter die Wärmewirkung.
Selbstverständlich eignet sich die Vorrichtung neben Wasser für
jedes andere Fluid. Die Warmseite der Vorrichtung kann auch als
Kaltseite dienen. Hierbei erhält man eine Spannungsumkehr am
elektrischen Ausgang der Vorrichtung.
Durch Kaskadierung, d. h. Serienschaltung der Elemente und
Parallelschaltung lassen sich die erzielten Thermospannungen
und Leistungen als auch der Aufbau der Arrays den gegebenen
Anforderungen anpassen.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermi
scher Energie unter Verwendung von Peltierelementepaaren (26),
die zwischen zwei auf unterschiedlichem Temperaturniveaus ge
haltenen Seiten (12, 14) angeordnet sind, wobei eine Seite (12)
als temperaturaufnehmende Seite und die andere Seite (14) als
temperaturabgebende Seite ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anzahl und Größe der zwischen den Seiten (12, 14) ange
ordneten Peltierelementepaaren (28) wie folgt gewählt wird:
n * A * K * dT/1 <= Winwobei
A = Gesamtfläche eines Peltierelements parallel zu den Seiten,
n = Anzahl der zwischen den Seiten befindlichen Elemente,
K = Wärmedurchgangszahl der Peltierelemente (inkl. Isola tion)
dT = Temperaturunterschied zwischen den Seiten,
l = Stärke der Peltierelemente zwischen den Seiten
Win = Der temperaturaufnehmenden Seite zugeführte durch schnittliche, vorzugsweise maximale Wärme/Kälteleistung,
und daß der gegenseitige Abstand der Elementepaare (28) mindestens 0,01 m beträgt.
A = Gesamtfläche eines Peltierelements parallel zu den Seiten,
n = Anzahl der zwischen den Seiten befindlichen Elemente,
K = Wärmedurchgangszahl der Peltierelemente (inkl. Isola tion)
dT = Temperaturunterschied zwischen den Seiten,
l = Stärke der Peltierelemente zwischen den Seiten
Win = Der temperaturaufnehmenden Seite zugeführte durch schnittliche, vorzugsweise maximale Wärme/Kälteleistung,
und daß der gegenseitige Abstand der Elementepaare (28) mindestens 0,01 m beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Peltierelementepaare (28) gleichmäßig voneinander
beabstandet und über die gesamte zwischen den Seiten (12, 14)
ausgebildete Fläche verteilt angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Elemente (24, 26) eines Peltierelementepaa
res (28) gleich dem gegenseitigen Abstand der Peltierelemente
paare (28) ist (Fig. 4).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest die temperaturaufnehmende Seite (12) aus einer
Metallfläche (16) besteht, die durch eine dünne Schicht (20)
mit einer guten Wärmeleitfähigkeit gegenüber den Peltier
elementen (24, 26) elektrisch isoliert ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die temperaturaufnehmende Seite (12) durch eine strah
lungsdurchlässige Schicht abgedeckt ist, die im Bereich von UV,
VIS sowie des gesamten IR-Bereichs eine hohe optische
Durchlässigkeit aufweist, und welche von dieser Seite (12)
beabstandet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Nutzung der Vorrichtung für Strahlungswärme keine
elektrische Isolation an einer Seite vorgesehen ist und diese
Seite durch die nicht isolierten Außenseiten der metallenen
Verbindungsbrücken der Peltierelemente gebildet wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die temperaturaufnehmende Seite (12) in Form eine Hohlzy
linders zur Anlage an Leitungen oder Rohren (40) ausgebildet
ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung in einer Schwimmanordnung (42) vorgesehen
ist, durch welche eine Seite an einer Wasseroberfläche (44)
gehalten wird, während die andere Seite (14) oder ein daran
angebrachter Wärmetauscherkörper (46) in die Umgebungsluft
ragt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung in einer Tauchanordnung vorgesehen ist,
durch welche eine Seite mit dem umgebenden Wasser in
Wärmekontakt gehalten wird, während die andere Seite in
Richtung der Einstrahlung gehalten und innerhalb eines Raumes
angeordnet ist, welches den Wärmekontakt des Wassers mit der
Seite verhindert, andererseits eine hohe optische
Durchlässigkeit aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Raum zischen den Seiten (12, 14) und zwischen den Pel
tierelementen (24, 26) mit einer temperaturisolierenden Masse
ausgeschäumt ist.
11. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verkleidung
von Gebäudeaußenwänden oder Dächern.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19531765A DE19531765A1 (de) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie |
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Publications (1)
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DE19531765A Withdrawn DE19531765A1 (de) | 1995-08-29 | 1995-08-29 | Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie |
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Country | Link |
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DE (1) | DE19531765A1 (de) |
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- 1995-08-29 DE DE19531765A patent/DE19531765A1/de not_active Withdrawn
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