DE19946806A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischen Energie nach dem Seebeck-Effekt - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischen Energie nach dem Seebeck-Effekt

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03G7/00Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/04Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using pressure differences or thermal differences occurring in nature

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie nach dem Seebeck-Effekt wird ein aus einer Mehrzahl von Peltierelementen bestehendes Peltiermodul jeweils mit den beiden Elementschenkeln eines Peltierelementes zwischen einem wärmeaufnehmenden und einem wärmeabgebenden Modul-Leitkörper in wärmeleitendem Kontakt angeordnet und einem Temperaturgradienten dT/dx in x-Richtung quer zur Kontaktierungsfläche seiner Elementschenkel ausgesetzt. Zwischen den Enden der beiden Elementschenkel bildet sich eine temperaturdifferenz-abhängige Thermospannung aus, welche durch die Mehrfachanordnung der Peltierelemente im Peltiermodul und ggf. durch Mehrfachanordnung der Peltiermodule entsprechend vergrößert wird. Das Peltiermodul wird als Energiemodul bzw. Seebeck-Modul (EM3) zur Ausnutzung der natürlichen Temperatur-, Wind- und Klimaunterschiede in der Umwelt und/oder der Abwärmeverluste technischer Anlagen zur Stromerzeugung verwendet. Ein beispielsweiser Anwendungsfall ist die Anwendung des Energiemoduls (EM3) zur Ausnutzung der Abwärme bei dem Motorblock und/oder der Auspuffanlage eines Verbrennungsmotors (10). Eine zugehörige Einrichtung verkörpert mehrere Ausführungsformen der Verwendungen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie nach dem Seebeck-Effekt, wobei ein aus einer Mehrzahl von Peltierele­ menten bestehendes Peltiermodul jeweils mit den beiden Elementschenkeln eines Peltierele­ mentes zwischen einem wärmeaufnehmenden und einem wärmeabgebenden Modul- Leitkörper in wärmeleitendem Kontakt angeordnet und einem Temperaturgradienten dlldx in x-Richtung quer zur Kontaktierungsfläche seiner Elementschenkel ausgesetzt wird und zwi­ schen den beiden Elementschenkeln des jeweiligen Peltierlementes ein elektrisches Feld Ex = ϕ dT/dx in x-Richtung und zwischen den Enden der beiden Elementschenkel eine temperatur­ differenz-abhängige Thermospannung sich ausbildet, welche durch die Mehrfachanordnung der Peltierelemente im Peltiermodul und ggfs. durch Mehrfachanordnung der Peltiermodule entsprechend vergrößert wird, wobei ϕ = Seebeck-Koeffizient oder differentielle Ther­ mospannung bedeutet, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Peltierelemente erzeugen mit Hilfe elektrischen Stromes an den Übergangsstellen des Elements entweder Wärme oder Kälte. Beim Einspeisen von Wärme und Kälte auf die Über­ gangsstellen eines Peltierelementes produziert es elektrische Energie nach dem Seebeckeffekt (1821 gefunden von Seebeck).

Durch die Erfindung soll dieser bekannte Effekt dazu benutzt werden, bestehende Tem­ peraturunterschiede in der Natur und in technischen Anlagen zur Gewinnung elektrischer Energie heranzuziehen, durch diese Energiegewinnung die am Ort der Temperaturunterschie­ de abgeführte Verlustwärme zu verringern und so die Aufheizung der Natur durch den Men­ schen zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmaie erreicht, nämlich durch die Verwendung des Peltiermoduls als Energiemodul bzw. Seebeck-Modul zur Ausnutzung der natürlichen Temperatur-, Wind- und Klimaunterschiede in der Umwelt und/oder der Ab­ wärmeverluste technischer Anlagen zur Stromerzeugung.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angege­ ben.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie nach dem Seebeck-Effekt, wobei ein aus einer Mehrzahl von Pel­ tierelementen bestehendes Peltiermodul jeweils mit den beiden Elementschenkeln eines Pel­ tierelementes zwischen einem wärmeaufnehmenden und einem wärmeabgebenden Modul- Leitkörper in wärmeleitendem Kontakt angeordnet und einem Temperaturgradienten dT/dx in x-Richtung quer zur Kontaktirungsfläche seiner Elementschenkel aussetzbar ist und zwischen den beiden Elementschenkeln des jeweiligen Peltierlementes ein elektrisches Feld Ex = ϕ dT/dx in x-Richtung und zwischen den Enden der beiden Elementschenkel eine temperatur­ differenz-abhängige Thermospannung erzeugbar ist, welche durch die Mehrfachanordnung der Peltierelemente im Peltiermodul und ggfs. durch Mehrfachanordnung der Peltiermodule entsprechend vergrößerbar ist, wobei ϕ = Seebeck-Koeffizient oder oder differentielle Ther­ mospannung bedeutet, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe, die auch dem Gegenstand des Anspruchs 8 zugrunde liegt, ist dieser Anspruch erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Pel­ tiermoduls als Energiemodul bzw. Seebeck-Modul zur Ausnutzung des Temperaturgefälles, das sich aufgrund der natürlichen Temperatur-, Wind- und Klimaunterschiede in der Umwelt und/oder der Abwärmeverluste technischer Anlagen in wärmeleitenden Strukturelementen, wie Gebäudewänden oder -dächern oder in den der Abwärme ausgesetzten Wandungen oder Rohrleitungen, ausbildet, an oder in die besagten Strukturelemente zum Zwecke der Stromer­ zeugung an- bzw. eingebaut ist.

Im folgenden werden Aufbau und Funktion der Verwendungen nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren und der zugehörigen Einrichtung sowie weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbei­ spiele noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt in schematischer, vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 und Fig. 2 ein Luft-Luft-Seebeck-Modul mit Rippen- bzw. Flachkühlkörpern,

Fig. 3 und Fig. 4 ein Flüssigkeits-Luft-Seebeck-Modul mit Rohr- und Luftkühlkörpern bzw. mit Rohrkühlkörpern, wobei die Einzelteile der Module ausein­ andergezogen dargestellt sind,

Fig. 5 bis Fig. 7 den Einbau der Energiemodule in eine Gebäudewand bzw. in ein Schrägdach bzw. in ein Flachdach,

Fig. 8 die Zuordnung des Energiemoduls zu einem Verbrennungsmotor zur Ausnutzung der Motorabwärme,

Fig. 9 den Einbau von Energiemodulen in die Wände eines Düsentriebwerks,

Fig. 10 den Einbau von Energiemodulen in den Kühlturm eines Kraftwerks zur Nutzung eines Teils der Abwärme, und

Fig. 11 den Einbau von Energiemodulen in Rauchrohr und Abgaskamin einer Heizungsanlage zur Nutzung der Abgaswärme.

Fig. 1 bis 4 zeigen Querschnittsansichten von bekannten Peltiermodulen zum Wärme- oder Kältetransfer von einem Medium zum anderen. Bei der Energieerzeugung durch den Seebeckeffekt können diese gleichen Module verwendet werden. Sie werden als Energiemo­ dule EM 1 bis EM 4 bezeichnet und werden in den Abmessungen, der Kombination von Ein­ zelelementen zum Modul und der Ausführung des Aktivteils an die Anwendung angepaßt. Details dieser Anpassung hängen von den Fertigungsmöglichkeiten der Produzenten und vor­ handenen Komponenten ab und sind nicht Gegenstand dieser Anmeldung. Nur das Gesamt­ modul ist Gegenstand dieser Patentanmeldung, es wird nachfolgend als ein Block dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Luft-Luft-Seebeck- oder Energiemodul EM 1 mit dem Seebeckelement 1, den beiden Isolierkörpern 2 und den Rippenkühlkörpern 3, 4 sowie mit den beiden an die En­ den des Seebeckelementes 1 über Leitungen 7, 8 jeweils angeschlossenen Polklemmen 5, 6. Das Energiemodul EM 1 (wie auch diejenigen nach Fig. 2 bis 4) sind der besseren Übersicht wegen in auseinandergenommenem Zustand dargestellt; es versteht sich, daß sie bei ihrem Einsatz zu einer funktionsfähigen Baueinheit zusammengefügt sind. Das Seebeckelement 1 ist nur in seinen Umrissen dargestellt, sein Aufbau kann z. B. demjenigen nach Fig. 7 der DE-OS 33 14 198 entsprechen.

Das Energiemodul EM 2 nach Fig. 2 entspricht in seinem Aufbau grundsätzlich demjeni­ gen nach Fig. 1, wobei jedoch die Kühlkörper 3a, 4a als Flachkühlkörper ausgebildet sind.

Das Energiemodul EM 3 nach Fig. 3 hat einen Rohrkühlkörper 3b zum Hindurchleiten von Heizflüssigkeit und einen gegenüberliegenden Rippenkühlkörper 4.

Das Energiemodul EM 4 nach Fig. 4 hat zwei Rohrkühlkörper 3b, 4b sowohl auf der wärmeaufnehmenden als auch auf der wärmeabgebenden Seite.

1) Nutzung von natürlichen Temperatur- und Klimaunterschieden

Natürliche Temperatur- und Klimaunterschiede sind bekanntlich:

  • - Sonneneinstrahlung und Schatten
  • - Luv und Lee beim Wind
  • - Luv und Lee beim Wind
  • - Atmosphäre und Gebäudeinnenräume.

Die beschriebenen Energiemodule EM 1-EM 4 können nun in die verschiedensten menschlichen Bauprodukte zur Energiegewinnung eingebaut werden. Beispielsweise in die Dächer und Wände von Häusern jeglicher Art wie z. B. Wohnhäusern, Garagen, Bürogebäuden, Fabriken, Kraftwerken, Motorfahrzeugen und Flugzeugen.

Fig. 5 zeigt den typischen Einbau der Energiemodule in die Fassade von Häusern Fig. 6 zeigt den typischen Einbau der Energiemodule in die Dachbedeckung von Gebäuden.

Fig. 7 zeigt den typischen Einbau der Energiemodule in Flachdächer.

Das in Fig. 2 dargestellte und erfindungsgemäß zu einem Energiemodul zusammengefaßte Seebeckelement EM 2 nutzt nun mit den in den Fig. 5-7 dargestellten Konfigurationen folgende Naturgegebenheiten aus:

Die an den Kühlkörpern 3a und 4a herrschende Temperaturdifferenz erzeugt in dem Seebeckelement 1 eine elektrische Spannung, die an den Klemmen 5, 6 des Seebeckelements 1 abgenommen werden kann. Die Isolation 2 verhindert einen elektrischen bzw. thermischen Kurzschluß. Erzeugt wird die Temperaturdifferenz dadurch, daß erfindungsgemäß das Modul EM 2 in die Mauer eines Gebäudes oder in den Dachgiebel bzw. das Flachdach eines Gebäudes eingebaut wird und an einer Seite der Raumluft und an der anderen Seite der Sonnenstrahlung des Tages, der Kälte der Nacht und dem Wind den ganzen Tag und die Nacht über ausgesetzt ist und entsprechend erwärmt oder auch abgekühlt wird. Die entstehende Gleichspannung jedes Moduls kann mit bekannten Methoden zur technischen Verwendung genutzt' werden. Auch die anderen Module EM 1, EM 3, EM 4 sind prinzipiell unter entsprechenden Randbedingungen einsetzbar.

2.) Nutzung von Abwärmeverlusten technischer Anlagen

Beim Betrieb technischer Anlagen fallen bekannterweise Verlusten, meist in Form von warmer Abluft oder warmen Abwasser, an.

Erfindungsgemäß soll ein Teil dieser Abwärmeverlusten mittels des Seebeckeffektes als hochwertiger elektrischer Strom zurückgewonnen werden. Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand einiger praktischer Beispiele unter Hinweis auf entsprechende schematische Zeichnungen beschrieben.

Fig. 8 zeigt die erfindungsgemäße Abwärmenutzung bei einem Fahrzeug- insbesondere Verbrennungsmotor.

Fig. 9 zeigt die erfindungsgemäße Nutzung der Wärmesituation an Flugzeugmotoren zur Speisung der Bordnetzverbraucher mit elektrischer Energie.

Fig. 10 zeigt die erfindungsgemäße Nutzung der Abwärme aus den Kühltürmen von Kraftwerken aller Art zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Verringerung der Wärmeverluste.

Fig. 11 zeigt die erfindungsgemäße Nutzung der Abwärme von Feuerungsstellen (fossile Kraftwerke, Hausbrandstellen für Öl und Gas) zur Erzeugung elektrischer Energie und Verringerung der Umweltbelastung.

Fig. 8 zeigt einen wassergekühlten Fahrzeugmotor 10 mit seinem Kühler 20 und den Verbindungsschläuchen 21 und 22 und der Wasserpumpe 23.

In dem Kühler 20 ist prinzipiell dargestellt eines der erfindungsgemäß vorgesehenen Seebeckelemente 1 des Energiemoduls EM 3 des Kühlers 20 in der Ausführung nach Typ EM 3 aus Fig. 3. Dem Rohrkühlkörper 3b wird das Kühlwasser des Motors 10 über die Anschlußschläuche 21 und 22 zugeführt und somit eine Seite des Seebeckelements 1 erhitzt. Fahrtwind 25 und Kühlerlüfter 24 kühlen den Luftkühlkörper 4, der somit die andere Seite des Seebeckelements 1 abkühlt, wodurch das Energiemodul EM 3 durch Zusammenschaltung der einzelnen Seebeckelemente 1 an seinen Ausgangsklemmen 26 elektrische Energie zur Ladung der Batterie ohne Zwischenschaltung einer Lichtmaschine liefert.

Fig. 9 zeigt das Prinzip eines Düsenmotors 12 mit seiner Brennkammer 13 und seiner Außenhülle 14. An der Brennkammer 13 und der Außenhülle 14 sind nun erfindungsgemäß Energiemodule EM 1 oder EM 2 angeordnet. Sie nutzen die Temperaturdifferenzen zwischen den Brenngasen 15 und der Zusatzluft 16 bzw. zwischen der Zusatzluft 16 und der Außenluft 17 an dem Düsenmotor und erzeugen zusätzriche elektrische Energie für das Bordnetz des Flugzeugs.

Fig. 10 zeigt das Prinzip des Turbinenkühlsystems eines Kraftwerks 29 mit dem Kühlturm 30 und den Verbindungsleitungen 31 und 32 und der Umwälzpumpe 33. In diesem Kühlturm 30 ist prinzipiell dargestellt eines der erfindungsgemäß vorgesehenen Energiemodule EM 3 mit einem Seebeckelement 1 nach Fig. 3. Der Flüssigkeitskühlkörper 3b wird vom Turbinenkühlwasser erwärmt, das Kühlelement 4 kann entweder ein Luftkühlkörper nach Typ EM 3 von Fig. 3 sein (dargestellt) oder ein Flüssigkeitskühlkörper nach Typ EM 4 von Fig. 4. Er kann aber auch beide Arten kombinieren. Beide Kühlkörper sind wie üblich durch die Isolierschicht 2 thermisch und elektrisch voneinander isoliert. Wird nun das Kühlelement 4 gekühlt (durch Kühlwasser oder durch die Kühlluft 36 durch den Lüfter 35), so entsteht eine elektrische Spannung an den Anschlußklemmen 5, 6 des Seebeckelements 1, wodurch die Energiemodule elektrische Energie für die weitere Nutzung liefern.

Fig. 11 zeigt die prinzipielle Situation der Abluft einer fossil (Öl oder Gas) gefeuerten Anlage 40 zur Wärme- oder Wärme/Strom/Kraftgewinnung. Von dieser Anlage geht ein Rauchrohr 41 zur Schornstein 42. An dem Rauchrohr 41 und dem Schornstein 42 werden erfindungsgemäß Energiemodule mit Seebeckelementen des Typs EM 1 oder EM 2 aus Fig. 1 bzw. 2 installiert. Sie nutzen, wie weiter oben bereits beschrieben, die Temperaturunterschiede zwischen den Rauchgasen und der Umgebungsluft zur Energiegewinnung aus.

Die Methoden zur Umformung der anfallenden Gleichstromenergie aus den Energiemodulen in Wechselspannung und deren Nutzung sind bekannt und nicht Inhalt dieser Anmeldung.

Bezugszeichenliste

EM 1-EM 4 Energiemodule

1

Seebeckelement

2

Isolierkörper

3

,

4

Rippenkühlkörper

5

,

6

Polklemmen

7

,

8

Leitungen

3

a,

4

a Flachkühlkörper

3

b,

4

b Rohrkühlkörper

10

Fahrzeugmotor

20

Kühler

21

,

22

Verbindungsschläuche

23

Wasserpumpe

24

Kühlerlüfter

25

Fahrtwind

26

Ausgangsklemmen

12

Düsenmotor

13

Brennkammer

14

Außenhülle

15

Brenngase

16

Zusatzluft

17

Außenluft

29

Kraftwerk

30

Kühlturm

31

,

32

Verbindungsleitungen

33

Umwälzpumpe

35

Lüfter

36

Kühlluft

40

Heizungsanlage

41

Rauchrohr

42

Schornstein

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie nach dem See­ beck-Effekt, wobei ein aus einer Mehrzahl von Peltierelementen bestehendes Peltiermodul jeweils mit den beiden Elementschenkeln eines Peltierelementes zwischen einem wärmeauf­ nehmenden und einem wärmeabgebenden Modul-Leitkörper in wärmeleitendem Kontakt an­ geordnet und einem Temperaturgradienten dT/dx in x-Richtung quer zur Kontaktierungsflä­ che seiner Elementschenkel ausgesetzt wird und zwischen den beiden Elementschenkeln des jeweiligen Peltierlementes ein elektrisches Feld Ex = ϕ dT/dx in x-Richtung und zwischen den Enden der beiden Elementschenkel eine temperaturdifferenz-abhängige Thermospannung sich ausbildet, welche durch die Mehrfachanordnung der Peltierelemente im Peltiermodul und ggfs. durch Mehrfachanordnung der Peltiermodule entsprechend vergrößert wird, wobei ϕ = Seebeck-Koeffizient oder oder differentielle Thermospannung bedeutet, gekennzeichnet durch die Verwendung des Peltiermoduls als Energiemodul bzw. Seebeck-Modul (EM 1-EM 4) zur Ausnutzung der natürlichen Temperatur-, Wind- und Klimaunterschiede in der Umwelt und/oder der Abwärmeverluste technischer Anlagen zur Stromerzeugung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Nutzung klimabedingter Temperaturunterschiede zur Energiegewinnung
  • - das Energiemodul (EM 2) in die Fassade oder Außenwand eines Gebäudes mit seinen beiden Modul-Leitkörpern (3a, 4a) jeweils zwischen dem inneren und dem äußeren Wandbereich eingebaut wird und/oder
  • - das Energiemodul (EM 2) jeweils in einen Dachziegel zwischen dessen Außen- und In­ nenfläche integriert wird oder
  • - das Energiemodul (EM 2) als Dachbaustein eines Flachdaches mit seinen beiden Modul- Leitkörpern (3a, 4a) jeweils zwischen dem inneren und dem äußeren Flachdachbereich eingebaut wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiemodul (EM 3) dem Motorblock und/oder der Auspuffanlage eines Verbrennungsmotors (10) zuge­ ordnet wird, wobei der wärmeaufnehmende Modul-Leitkörper (3b) von der Abwärme des Motors aufgeheizt und der wärmeabgebende Modul-Leitkörper (4) dem Kühler Luftstrom ausgesetzt sowie die erzeugte elektrische Energie in das Bordstromnetz eingespeist wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlkanäle des wärmeaufnehmenden Modul-Leitkörpers (3b) zu dessen Aufheizung vom flüssigen Kühlmit­ tel des Motors (10) durchströmt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiemodul zur Ausnutzung des Temperaturgefälles in der Brennkammerwand (13) und/oder der Außen­ hülle (14) eines Flugtriebwerks in diese eingebaut und zur Lieferung zusätzlicher Energie für das Bordstromnetz herangezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiemodul dem Rückkühlsystem (30) für das Kondensat einer Dampfturbine zugeordnet wird, wobei der wärmeaufnehmende Modulleitkörper (3b) von dem rückzukühlenden Kondensat-Kühlwasser aufgeheizt und der wärmeabgebende Modulleitkörper (4) einer Kühlung durch Kühlluft (36) und/oder Kühlwasser ausgesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiemodul zur Ausnutzung des Temperaturgefälles in den das Abgas führenden Kanalwandungen einer fossil befeuerten Heizungsanlage (40) an der oder in die Wandung des Rauchrohres (41) und/oder des Abgaskamins (42) an- bzw. eingebaut wird.
8. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie nach dem See­ beck-Effekt, wobei ein aus einer Mehrzahl von Peltierelementen bestehendes Peltiermodul jeweils mit den beiden Elementschenkeln eines Peltierelementes zwischen einem wärmeauf­ nehmenden und einem wärmeabgebenden Modul-Leitkörper in wärmeleitendem Kontakt an­ geordnet und einem Temperaturgradienten dT/dx in x-Richtung quer zur Kontaktierungsflä­ che seiner Elementschenkel aussetzbar ist und zwischen den beiden Elementschenkeln des jeweiligen Peltierlementes ein elektrisches Feld Ex = ϕ dT/dx in x-Richtung und zwischen den Enden der beiden Elementschenkel eine temperaturdifferenz-abhängige Thermospannung erzeugbar ist, welche durch die Mehrfachanordnung der Peltierelemente im Peltiermodul und ggfs. durch Mehrfachanordnung der Peltiermodule entsprechend vergrößerbar ist, wobei ϕ = Seebeck-Koeffizient oder differentielle Thermospannung bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltiermoduls als Energiemodul bzw. Seebeck- Modul (EM 1-EM 4) zur Ausnutzung des Temperaturgefälles, das sich aufgrund der natürli­ chen Temperatur-, Wind- und Klimaunterschiede in der Umwelt und/oder der Abwärmeverlu­ ste technischer Anlagen in wärmeleitenden Strukturelementen, wie Gebäudewänden oder -dächern oder in den der Abwärme ausgesetzten Wandungen oder Rohrleitungen, sich ausbildet, an oder in die besagten Strukturelemente zum Zwecke der Stromerzeugung an- bzw. eingebaut ist.
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