DE19743356A1

DE19743356A1 - Thermophotovoltaischer Generator

Info

Publication number: DE19743356A1
Application number: DE19743356A
Authority: DE
Inventors: Ekkenhard Dr Laqua
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-08
Also published as: JP2001508952A; US6204442B1; WO1999017378A1; EP0941553A1

Description

Stand der Technik

Diese Erfindung betrifft einen thermophotovoltaischen Generator mit einem in einer Brennkammer liegenden Festkörper, dessen Oberfläche durch ein der Brennkammer durch eine Zufuhreinheit zugeführtes und verbrennendes Brennstoff-Luftgemisch zur Strahlung angeregt wird, die auf eine Photozelle trifft, welche daraufhin elektrische Energie erzeugt und mit einer Abgasführung, die die heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer abführt.

Derzeit wird die Brennstoffzufuhr bei Strahlungsbrennern derart gestaltet, daß der Brennstoff von innen oder hinten auf den Festkörper gebracht wird, an dessen Oberfläche verbrennt und diese zur Strahlung anregt. Die dabei entstehenden Verbrennungsgase werden durch die Abgasführung nach außen abgeführt. Als Beispiel ist hier der bekannte Festbettbrenner zu nennen.

Wenn in einem thermophotovoltaischen Generator ein solcher Strahlungsbrenner verwendet wird, bestand bisher das Problem, daß die heißen Verbrennungsgase zur Photozelle hin strömen. Aus diesem Grunde mußten Schutzmaßnahmen, wie z. B. eine Kühlung der Photozelle und eine Abschirmung durch eine Quarzglasscheibe, getroffen werden, um eine Überhitzung der Photozelle zu vermeiden.

Kurzfassung der Erfindung

Demgemäß ist es Aufgabe dieser Erfindung, einen thermo photovoltaischen Generator unter Verwendung eines Strahlungsbrenners so anzugeben, daß die zur Stromerzeugung verwendeten Photozellen nicht, wie bisher üblich, in Stromrichtung der heißen Brenngase liegen, so daß der Aufwand für bisher notwendige Schutzmaßnahmen der Photozelle gegen die heißen Verbrennungsgase erheblich reduziert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein gattungsgemäßer thermo photovoltaischer Generator dadurch gekennzeichnet, daß eine Vormischkammer durch einen porösen Festkörper nach außen abgeschlossen ist, die Photozelle in der Vormischkammer dem Festkörper gegenüber und stromaufwärts von diesem liegt, ein Reflektor außerhalb der Vormischkammer stromabwärts vom Festkörper und diesem gegenüber liegt, so daß er die durch Verbrennung des Brennstoff-Luftgemischs am Festkörper entstehende Strahlung entgegengesetzt zur Strömung der Verbrennungsgase zum Festkörper zurückwirft, und die Brennstoff-Luftzufuhr von der Zufuhreinheit zur Vormisch kammer so geführt wird, daß das unverbrannte Brennstoff-Luft gemisch von hinten auf und um die dadurch gekühlte Photozelle strömt.

Somit basiert die Erfindung auf der Richtungsumkehr der Brennstoffströmung und der Strahlungsrichtung. Dadurch wird die Photozelle nicht mit heißen Brenngasen beaufschlagt sondern aktiv von dem sie umströmenden kalten Brennstoff-Luft gemisch gekühlt. Der Aufwand zum Schutz der Photozelle gegen die heißen Brenngase kann auf diese Weise erheblich reduziert werden.

Gemäß einer Ausführungsform des thermophotovoltaischen Generators können die Photozelle und der Reflektor eben konstruiert und in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sein.

Bei einer alternativen Ausführungsform können bei einer im wesentlichen zylindrischen Brennkammer die Photozelle und der Reflektor auf Zylindermantelflächen liegen, die koaxial zueinander angeordnet sind.

Dabei ist besonders günstig, wenn die Photozellen auf einer inneren Zylinderfläche und der Reflektor auf einer die innere Zylinderfläche umgebenden äußeren Zylinderfläche liegen. Dazwischen befindet sich dann der in der ebenfalls zylindrischen Brennkammer liegende poröse Festkörper, der, abgesehen von der Porosität vollständig geschlossen sein kann.

Der erfindungsgemäße thermophotovoltaische Generator, bei dem die Photozelle vom zuströmenden Brennstoff-Luftgemisch gekühlt wird, läßt sich in verschiedenartigen Ausführungen realisieren, nämlich z. B. in einer radialen, einer axialen oder auch einer anderen geometrischen Anordnung.

Die Erfindung wird nachstehend in einer Prinzipanordnung und einer beispielhaften Ausführungsform mit radialer Anordnung des Reflektors und der Photozelle anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Die Zeichnungsfiguren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine Prinzipanordnung eines thermophoto voltaischen Generators gemäß der Erfindung; und

Fig. 2A und 2B eine beispielhafte Ausführungs form eines thermophotovoltaischen Generators mit radialer Anordnung von Photozelle und Reflektor, jeweils in einer schematischen Querschnittsdarstellung in Draufsicht und in Seitenansicht.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Prinzipanordnung eines erfindungsgemäßen thermophotovoltaischen Generators, bei dem die mit ausgezogenen Pfeillinien 6 dargestellten heißen Verbrennungsgase nicht auf die Photozelle 3 gelenkt werden. Die Photozelle 3 wird darüber hinaus von dem über eine Zufuhreinheit 1 in die Vormischkammer 4 des Brenners 2 strömenden Brennstoff-Luftgemisch gekühlt. Die heißen Verbrennungsgase 6 strömen von der Vormischkammer 4 an und durch die Oberfläche des porösen Festkörpers 5. Dort verbrennt der Brennstoff und regt den porösen Festkörper 5 zur Strahlung an. Die heißen Verbrennungsgase 6 treten aus dem porösen Körper 5 aus und werden durch eine Abgasführung aus der Brennkammer 8 abgeführt. Parallel zur Photozelle 3 und auch zum porösen Festkörper 5 ist ein Reflektor 7 angebracht, der die Strahlung in Richtung zur Photozelle zurückwirft, so daß Strahlung effektiv nur in Richtung Photozelle geworfen wird.

Der Vorteil dieser prinzipiellen Anordnung des erfindungs gemäßen thermophotovoltaischen Generators liegt in der entgegengesetzten Richtung der heißen Verbrennungsgase 6 und der Strahlung, die vom porösen Festkörper 5 sowie vom Reflektor 7 zur Photozelle 3 hin reflektiert wird.

Die Fig. 2A und 2B zeigen einen erfindungsgemäßen thermophotovoltaischen Generator, bei dem die Photozelle 13, der poröse Feststoffkörper 15 und der Reflektor 17 radial zueinander liegen, d. h. sie liegen auf Zylinderman telflächen, die konzentrisch zueinander sind. Fig. 2A zeigt eine solche thermophotovoltaische Generatoranordnung mit einem im wesentlichen zylindrischen Brenner 12. Innerhalb einer Vormischkammer 14 desselben wird eine zylindrisch angeordnete Photozelle 13 von dem über eine Zufuhreinheit 10, 11 zuströmenden Brennstoff-Luftgemisch umströmt und gekühlt. Zur Verteilung des Brennstoff-Luftgemischs können in der Vormischkammer 14 kegelförmige Verteilvorrichtungen 19 im zuströmenden Brennstoff-Luftgemisch angeordnet sein. Das an der Oberfläche des porösen Feststoffkörpers 15 ver brennende Brennstoff-Luftgemisch 16 wird nach der Verbren nung in einer Brennkammer 18 in Form von Verbrennungsgasen durch Abgasöffnungen abgeführt. Der Reflektor 17 ist eben falls kreiszylindrisch und konzentrisch um die Photozelle 13 und den porösen Festkörper 15 angeordnet. Die bei der Verbrennung am Festkörper erzeugte Strahlung sowie ein Teil der vom Reflektor 17 zurückgestrahlten Strahlung (gestri chelte Pfeile) treffen auf die Photozelle 13. Der Hauptteil der reflektierten Strahlung hält den Festkörper auf Temperatur.

Es muß erwähnt werden, daß die in den Fig. 2A und 2B gezeigte radiale Anordnung eine Reihe von strömungs optimierenden Änderungen erfahren kann. Außerdem läßt sich eine geometrische und hinsichtlich der Kühlung der Photo zelle optimalere Anordnung angeben, bei der die Reihenfolge der Photozelle 13, des porösen Festkörpers 15 und des Reflektors 17 vertauscht ist, so daß der Reflektor 17 innen und die Photozelle außen liegt. Selbstverständlich muß dann auch die Zufuhr des Brennstoff-Luftgemischs und die Abfuhr der Abgase 18 entsprechend umgekehrt werden.

Außer der in den Fig. 2A und 2B gezeigten kreiszylin drischen Anordnung sind auch andere, z. B. kegel- oder kugelförmige Anordnungen eines auf dem erfindungsgemäßen Prinzip der Richtungsumkehr der Brennstofführung und der Richtung der Strahlung beruhenden thermophotovoltaischen Generators realisierbar.

Claims

1. Thermophotovoltaischer Generator mit einem in einer Brennkammer (8) eines Brenners (2) liegenden Festkörper (5), dessen Oberfläche durch ein dem Brenner (2) durch eine Zufuhreinheit (1) zugeführtes und dort verbrennendes Brennstoff-Luftgemisch zur Strahlung angeregt wird, die auf eine Photozelle (3) trifft, welche daraufhin elektrische Energie erzeugt, und mit einer die heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer (8) abführenden Abgasführung,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Vormischkammer (4) von der Brennkammer (8) durch einen porösen Festkörper (5) nach außen abgeschlossen ist, die Photozelle (3) in der Vormischkammer (4) dem porösen Festkörper (5) gegenüber und stromaufwärts von diesem liegt,
ein Reflektor (7) außerhalb der Vormischkammer (4) strom abwärts vom Festkörper (5) und diesem gegenüber liegt, so daß er die durch Verbrennung-des Brennstoff-Luftgemischs am Festkörper (5) entstehende Strahlung entgegengesetzt zur Strömung der Verbrennungsgase (6) zur Photozelle (3) zurückwirft,
und die Brennstoff-Luftzufuhr von der Zufuhreinheit (1) zur Vormischkammer (4) so geführt wird, daß das unverbrannte Brennstoff-Luftgemisch von hinten auf und um die dadurch gekühlte Photozelle (3) strömt.

2. Thermophotovoltaischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle (3) und der Reflektor (7) in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind.

3. Thermophotovoltaischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem im wesentlichen zylindrischen Brenner (12) die Photozelle (13), der Festkörper (15) und der Reflektor (17) auf Zylindermantel flächen und koaxial zueinander angeordnet sind.

4. Thermophotovoltaischer Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle (13) relativ zum zylindrischen Reflektor (17) auf einer inneren Zylinder mantelfläche angebracht ist.