DE19531765A1

DE19531765A1 - Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie

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Publication number: DE19531765A1
Application number: DE19531765A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 1997-03-06

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

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 <= W_inwobei
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
W_in = 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.