DE202009015903U1

DE202009015903U1 - Stromerzeugungsvorrichtung

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Publication number: DE202009015903U1
Application number: DE202009015903U
Authority: DE
Original assignee: GETES AG DH GES fur GEOTHERMI; Getes Ag Dh Gesellschaft fur Geothermie und fur Thermische Energiesysteme
Current assignee: FJS BERATUNG UND PLANUNG GMBH, DE
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2019-11-21
Also published as: WO2011060951A2; WO2011060951A3

Abstract

Stromerzeugungsvorrichtung, umfassend:
wenigstens ein Thermoelement (2), das eine erste Oberfläche (4) zur Aufnahme von Wärme aufweist und eine zweite Oberfläche (5) zur Abgabe von Wärme und das eingerichtet ist, aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten (4) und der zweiten Oberfläche (5) elektrische Energie zu erzeugen;
wenigstens einen Wärmezuführbereich (6), der der ersten Oberfläche (4) des wenigstens einen Thermoelements (2) Wärme zuführt; und
wenigstens einen Wärmeabführbereich (7), der Wärme von der zweiten Oberfläche (5) des wenigstens einen Thermoelements (2) abführt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Stromerzeugungsvorrichtungen und insbesondere auf eine Stromerzeugungsvorrichtung, die wenigstens ein Thermoelement umfasst, und auf eine Wärmetransportvorrichtung und eine Photovoltaikvorrichtung mit einer derartigen Stromerzeugungsvorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei bekannten Anlagen für die Wärmeversorgung, wie bspw. Geothermieanlagen, Fernwärmeversorgung oder sonstigen Anlagen, die mit Wärmekreisläufen versehen sind, wird Wärme in einem Medium, meistens Wasser, transportiert und an einer dafür vorgesehenen Stelle bspw. mittels eines Wärmetauschers abgegeben. Das abgekühlte Medium wird dann zurück zu einer Wärmequelle geführt und wiederum erwärmt in den Kreislauf zurückgeführt. Da im Allgemeinen die tatsächliche Wärmeabnahme nicht vorhersehbar ist, befindet sich in solchen Anlagen zur Wärmeversorgung im Allgemeinen eine gewisse Menge an ungenutzter Restwärme.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Energieeffizienz von bestehenden Anlagen, in denen Wärme transportiert oder erzeugt wird, zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Stromerzeugungsvorrichtung bereit, umfassend: wenigstens ein Thermoelement, das eine erste Oberfläche zur Aufnahme von Wärme aufweist und eine zweite Oberfläche zur Abgabe von Wärme und das eingerichtet ist, aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche elektrische Energie zu erzeugen; wenigstens einen Wärmezuführbereich, der der ersten Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements Wärme zuführt; und wenigstens einen Wärmeabführbereich, der Wärme von der zweiten Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements abführt.
Nach einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Wärmetransportvorrichtung, insbesondere eine Geothermie-, Fernwärme oder Kühlanlage, bereit, die eine Stromerzeugungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt umfasst, wobei die Wär metransportvorrichtung einen wärmeführenden Transportkreislauf mit einem Wärmetransportmedium aufweist, der Transportkreislauf wenigstens einen Vorlauf und einen Rücklauf aufweist, wobei das Wärmetransportmedium im Vorlauf eine höhere Temperatur als im Rücklauf hat, der Vorlauf wenigstens teilweise im Wärmezuführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung angeordnet ist, und der Rücklauf wenigstens teilweise im Wärmeabführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung angeordnet ist.
Nach einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Photovoltaikvorrichtung zum Erzeugen von Strom bereit, die eine Stromerzeugungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt umfasst, wobei die Photovoltaikvorrichtung wenigstens ein Photovoltaikelement mit einer Vorderseite zum Auffangen von Sonnenstrahlen und eine Rückseite aufweist; die Rückseite des wenigstens einen Photovoltaikelements wenigstens teilweise im Wärmezufuhrbereich für das wenigstens eine Thermoelement angeordnet ist; und der Wärmeabführbereich wenigstens teilweise von einem Fluid, insbesondere Luft oder Wasser, durchströmt wird.
Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der beigefügten Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschreiben, in der:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Stromerzeugungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 eine Geothermieanlage und ein mit Wärme aus der Geothermieanlage versorgtes Fernwärmenetz veranschaulicht;
3 die Geothermieanlage und das Fernwärmenetz nach 2 mit darin angeordneten Stromerzeugungsvorrichtungen nach 1 zur Restwärmeausnutzung zeigt; und
4 eine Photovoltaikvorrichtung mit einer Stromerzeugungsvorrichtung nach 1 veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Vor einer detaillierten Beschreibung folgen zunächst allgemeine Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen und deren Vorteile.
Es sind allgemein thermoelektrische Elemente oder Thermoelemente bekannt, die bspw. aus zwei unterschiedlichen Metallen oder, im Falle von thermoelektrischen Generatoren, auch aus Halbleitermaterialien gebildet werden. Die Thermoelemente weisen dabei eine sogenannte ”warme” Seite und eine ”kalte” Seite auf. Aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen der warme und der kalten Seite, kann das Thermoelement aufgrund des Seebeck-Effekts Strom erzeugen. Besteht das Thermoelement aus einem Halbleitermaterial, so wird es auch nach dem Peltier-Effekt Peltier-Element genannt. Der Peltier-Effekt ist gerade die Umkehrung des Seebeck-Effekts, das heißt durch Anlegen eines Stromes wird das Peltier-Elementen auf einer Seite warm und auf der anderen kalt.
Thermoelemente als solches werden in erster Linie als Temperaturfühler eingesetzt. Dabei wird der erzeugte Strom bzw. die erzeugte Spannung in ein entsprechendes Temperatursignal umgerechnet. Thermoelemente in der Form von Peltier-Elementen werden hingegen in erster Linie als Kühlelemente eingesetzt. Thermoelemente werden heutzutage entsprechend als Kühlelemente kleinsten Ausmaßes für Elektronikbauteile millionenfach eingesetzt. Stand der Forschung ist es, zur Verbesserung der Wirkungsweise sog. thermoelektrische Generatoren zu entwickeln.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass sich Thermoelemente, insbesondere in der Form thermoelektrischer Generatoren, im Allgemeinen zur Verbesserung der Energieeffizienz, insbesondere bei Geothermie-, Fernwärme-, Kühl- und Photovoltaikanlagen einsetzen bzw. verwenden lassen. Dabei werden die Thermoelemente so eingesetzt bzw. verwendet, dass sie Restwärme und/oder nicht benötigte Wärme zur Stromerzeugung nutzen.
Dabei können Thermoelemente in Anlagen der Geothermie, insbesondere in Anlagen der hydrothermalen Tiefengeothermie eingesetzt werden, damit verbunden oder selbständig in Anlagen der Fernwärmeversorgung, in Kühlanlagen, Kühlkreisläufen jeglicher Art, zur Restwärmenutzung und in der Kombination mit Photovoltaikelementen/-platten/-bauteilen. Durch die Wirkungsweise der Thermoelemente wird in solchen Anlagen vorhandene Wärme besser und vollständiger genutzt, um damit die Effizienz der thermischen Anlagen zu verbessern. Durch die bessere Ausnutzung ist es möglich, CO₂-Emissionen einzusparen und bspw. bei Photovoltaikanlagen eine direkte Verbesserung der elektrischen Ausbeute zu erreichen.
Ein Thermoelement besteht bei manchen Ausführungsbeispielen aus drei Hauptbauteilen. Einem Mittelbereich, bspw. mit einem Halbleiterelement oder einem Element mit geeigneten Materialien, die den Seebeck-Effekt hervorrufen, wie bspw. Bi₂Te₃, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi₂ und zwei Oberflächenbereichen, die den Mittelbereich sandwichartig umgeben. Die Oberflächenbereiche können auch als gesonderte Elemente, bspw. als Platten oder dergleichen ausgebildet sein. Das Thermoelement ist bei manchen Ausführungsbeispielen ebenfalls plattenartig ausgestaltet und die kalte bzw. warme Seite befindet sich jeweils and der Ober- bzw. Unterseite des Thermoelements.
Auf der warmen Seite wird dann bei manchen Ausführungsbeispielen dem Thermoelement Wärme zugeführt, während auf der kalten Seite Wärme abgeführt wird. Fließt die Wärme bspw. über die Platten über die warme Seite durch das Thermoelement zur kalten Seite, wird ein Strom im Mittelbereich. z. B. im Halbleitermaterial, erzeugt.
Entsprechend umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen eine Stromerzeugungsvorrichtung wenigstens ein Thermoelement zur Ausnutzung von Wärme oder Restwärme, die in einer Anlage zur Fernwärmeversorgung, in Kühlanlagen, Kühlkreisläufen jeglicher Art, oder bei Photovoltaikelementen/-platten/-bauteilen entsteht.
Das Thermoelement weist eine erste Oberfläche zur Aufnahme von Wärme auf und eine zweite Oberfläche zur Abgabe von Wärme. Wie erwähnt, kann die Oberfläche bspw. die Oberfläche des Halbleitermaterials sein oder durch eine Platte, Beschichtung oder sonstiges wärmeleitfähiges Element gebildet werden, das in Wärmekontakt mit dem aufgrund Temperaturdifferenz Stromerzeugenden Elements steht. Das Thermoelement ist entsprechend eingerichtet, aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche elektrische Energie zu erzeugen.
Um die Wärme auf die erste Oberfläche, das heißt warme Seite, des Thermoelements zu transportieren, weist die Stromerzeugungsvorrichtung einen Wärmezuführbereich auf, der der ersten Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements Wärme zuführt. Und um die zur Stromerzeugung notwendige Temperaturdifferenz herzu stellen, weist die Stromerzeugungsvorrichtung einen Wärmeabführbereich auf, der Wärme von der zweiten Oberfläche, d. h. der kalten Seite, des wenigstens einen Thermoelements abführt.
Aufgrund dieser Konfiguration kann die Stromerzeugungsvorrichtung in Anlage, wie oben beschrieben, oder sonstigen technischen Vorrichtungen verwendet werden, in denen es eine anlagenbedingte Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr gibt. Damit kann die Stromerzeugungsvorrichtung in beliebigen technischen (thermischen) Anlagen oder Wärmetransportkreisläufen vorhandene Restwärme zur Stromerzeugung nutzen.
Technische bekannte Thermoelemente haben meistens relative kleine Abmessungen, bspw. im Quadratzentimeterbereich. Daher weist bei manchen Ausführungsbeispielen die Stromerzeugungsvorrichtung ein Array mit einer Vielzahl von Thermoelementen auf, wobei die Thermoelemente elektrisch in Reihe geschaltet sind und dadurch einen thermoelektrischen Generator bilden. Die Thermoelemente werden dabei zwischen der kalten und der warmen Seite in Reihe geschaltet, um eine möglichst hohe Spannung zu erzeugen. Solche Arrays können hunderte, tausend oder gar 100.000 oder mehr Thermoelemente aufweisen.
Außerdem können die Thermoelemente entsprechend den Anforderungen, insbesondere den Temperaturen die an der kalten und heißen Seite vorherrschen, und an die entsprechend vorliegende Temperaturdifferenz angepasst werden, um eine optimale Erzeugung elektrischer Energie (Strom oder Spannung) sicherzustellen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird wenigstens ein Thermoelement bzw. wenigstens eine Stromerzeugungsvorrichtung mit wenigstens einem Thermoelement in einer Anlage, wie bspw. einer Geothermie-, Fernwärme- oder Kühlanlage oder dergleichen verwendet oder zur Wärmenutzug bei Photovoltaikanlagen verwendet.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst entsprechend eine Wärmetransportvorrichtung, insbesondere eine Geothermie-, Fernwärme oder Kühlanlage, wenigstens eine Stromerzeugungsvorrichtung wie oben beschrieben. Die Wärmetransportvorrichtung weist bspw. einen wärmeführenden Transportkreislauf mit einem Wärmetransportmedium auf. Das Wärmetransportmedium kann dabei ein Fluid sein, wie bspw. Luft oder Wasser oder ein beliebig anderes Wärmetransportmedium das geeignet ist, Wärme zu transportieren.
Der Transportkreislauf weist wenigstens einen Vorlauf und einen Rücklauf auf, wobei das Wärmetransportmedium im Vorlauf eine höhere Temperatur als im Rücklauf hat. Der Transportkreislauf kann dabei ein offener oder geschlossener Kreislauf sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind der Vorlauf und der Rücklauf bspw. derart getrennt, dass sie in keiner kommunizierenden Verbindung miteinander stehen, während bei anderen Ausführungsbeispielen der Vor- und Rücklauf in kommunizierender Verbindung stehen.
Der Vorlauf ist wenigstens teilweise im Wärmezuführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung angeordnet und kann folglich Wärme an die erste Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements abgeben, sei es durch direkten oder indirekten Wärmeleitenden Kontakt oder durch Wärmestrahlung.
Der Rücklauf ist wenigstens teilweise im Wärmeabführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung angeordnet und nimmt entsprechend Wärme von der zweiten Oberfläche des Thermoelements auf, die bspw. über direkte oder indirekte Wärmeleitung oder durch Wärmestrahlung von der zweiten Oberfläche abgegeben wird.
Durch die Wärmezufuhr vom Vorlauf auf die erste Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements und die Wärmeabfuhr von der zweiten Oberfläche über den Rücklauf entsteht eine entsprechende Temperaturdifferenz zwischen der ersten Oberfläche des Thermoelements und der zweiten Oberfläche des Thermoelements, aufgrund derer das wenigstens eine Thermoelement elektrische Energie (Strom) erzeugen kann.
Der Vorlauf der Wärmetransportvorrichtung und der Rücklauf der Wärmetransportvorrichtung sind bei manchen Ausführungsbeispielen nicht notwendigerweise mit dem Vor- bzw. Rücklauf einer gesamten Anlage, bspw. einer Geothermie- oder Fernwärmeanlage oder eines Kühlsystems gleichzusetzen. Der Vor- und Rücklauf beziehen sich hierbei lediglich auf den Teil des Transportsystem der die Wärme zur Stromversorgungsvorrichtung, d. h. zu dem wenigstens einen Thermoelement, hinführt bzw. abführt.
Bei manchen Ausführungsbespielen wird wenigstens ein Thermoelement bzw. wenigstens eine Stromversorgungsvorrichtung, wie oben beschrieben, in einer Photovoltaikvorrichtung zum Erzeugen von Strom verwendet.
Dabei weist die Photovoltaikvorrichtung wenigstens eine Stromerzeugungsvorrichtung mit wenigstens einem Thermoelement, wie oben beschrieben, und wenigstens ein Photovoltaikelement auf.
Das Photovoltaikelement weist eine Vorderseite zum Auffangen von Sonnenstrahlen und eine Rückseite auf, die der Vorderseite gegenüber liegt. Die Rückseite des wenigstens einen Photovoltaikelements ist dabei wenigstens teilweise im Wärmezufuhrbereich für das wenigstens eine Thermoelement angeordnet. Photovoltaikelemente erwärmen sich durch die Sonneneinstrahlung stark, was nicht nur zu einem schlechteren Wirkungsgrad des Photovoltaikelements selbst führt, sondern auch entsprechend viel Energie ungenutzt lässt. Insbesondere an der Rückseite der Photovoltaikelemente entsteht viel Wärme, die sich durch die Anordnung von Thermoelementen in diesem Bereich zur Stromerzeugung nutzen lässt.
Der Wärmeabführbereich des wenigstens einen Thermoelements wird wenigstens teilweise von einem Fluid, wie bspw. Luft oder Wasser durchströmt. Bei manchen Ausführungsbeispielen strömt bspw. vorbeiströmende Luft an der zweiten Oberfläche des Thermoelements entlang und kühlt dieses dadurch an der zweiten Oberfläche. Durch die Kühlung einerseits und die Wärmezufuhr andererseits wird eine entsprechende Temperaturdifferenz zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche hergestellt, wodurch das Thermoelement elektrische Energie erzeugen kann.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen ein (direkter) Wärmeleitungskontakt zwischen dem Thermoelement und dem Photovoltaikelement besteht, kann nicht nur die an der Rückseite des Photovoltaikelements entstehende Wärme zur Stromerzeugung genutzt werden, sondern das Thermoelement kühlt zusätzlich noch das entsprechende Photovoltaikelement durch die Wärmeabfuhr, wodurch der Wirkungsgrad des Photovoltaikelements, der temperaturabhängig ist, ebenfalls gesteigert wird.
Zurückkommend zu 1 ist dort ein Ausführungsbeispiel einer Stromerzeugungsvorrichtung 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Stromerzeugungsvorrichtung weist ein Thermoelement 2 auf, das zwischen einem Wärmezufuhrbereich 6 und einem Wärmeabfuhrbereich 7 angeordnet ist.
Das Thermoelement 2 hat eine rechwinklige, plattenartige Form und ist aus einem Halbleitermaterial 3 gebildet, das sandwichartig zwischen zwei Platten 4 und 5 ange ordnet ist. Die obere Platte 4 bildet dabei eine erste Oberfläche an der Wärme über den Wärmezufuhrbereich 6 zugeführt wird, währen die untere Platte 5 ein zweite Oberfläche bildet an der Wärme an den Wärmeabfuhrbereich 7 abgegeben wird. Folglich entsteht bei entsprechender Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr eine Temperaturdifferenz zwischen der oberen Platte 4 und der unteren Platte 5, die zu einer Stromerzeugung im Halbleitermaterial 2 führt.
Wie bereits erwähnt, weist bei manchen Ausführungsbeispielen die Stromerzeugungsvorrichtung eine Vielzahl von Thermoelementen 2 auf, die in Reihe geschaltet sind und bspw. in einem Array angeordnet sind. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die obere 4 und untere Platte 5 durchgehend ausgestaltet sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen hingegen hat jedes Thermoelement eine einzelne Platte oder es sind Mischformen verwirklicht, in denen bspw. mehrere Thermoelemente zu einem Module zusammengefasst sind und diese Module jeweils eine obere und eine unteren Platte aufweist.
Die Stromversorgungsvorrichtung ist entsprechend einfach in Kühlanlagen und Kühlkreisläufen jeglicher Art und zur Restwärmenutzung einsetzbar.
Dazu muss die Stromversorgungsvorrichtung nur so in die Kühlanlage oder den Kühlreislauf oder dergleichen eingesetzt werden, dass Wärme in den Wärmezufuhrbereich 6 zugeführt wird und Wärme in dem Wärmeabfuhrbereich 7 abgeführt wird.
Dies ist in 1 durch entsprechende Pfeile 8 und 9 dargestellt. Der obere Pfeil 8, der in Richtung des Wärmezufuhrbereiches 6 zeigt, steht dabei für eine Wärmezufuhr bspw. von einem Kühlkreislauf, von einer geothermischen Wärmequelle stammend oder von irgendeiner anderen geeigneten (Rest-)Wärmequelle. Dabei wird die (Rest-)Wärme bspw. durch Wasserleitungen oder durch eine andersartig geeignete Wärmetransportleitung in den Wärmezufuhrbereich 6 zugeführt und dort, bspw. durch direkten oder indirekten (bspw. durch Wärmetauscher) wärmeleitenden Kontakt zur oberen Platte 4 oder durch Wärmestrahlung an die obere Platte 4 abgegeben. Dadurch erhitzt sich das Thermoelement 2 von der oberen Platte 4 her.
Bei dem Durchgang des Wärmezuführenden Mediums durch den Wärmezufuhrbereich 6 kühlt sich das Medium entsprechend ab, bspw. von einer Temperatur T1 auf eine niedrigere Temperatur T2.
Im unteren Wärmeabfuhrbereich 7 hingegen, wird Wärme, wie durch Pfeil 9 angedeutet, bspw. mittels eines Rücklaufes eines Kühlsystems, Kühlkreislaufes oder eines Rücklaufes/Reinjektion nach thermischer Nutzung oder durch Kühlung bspw. mittels Luft, Wasser, Grundwasser abgeführt. Dabei erwärmt sich das durch den Wärmeabfuhrbereich 7 laufende Wärmetransportmedium, bspw. von einer Temperatur T3 auf eine höhere Temperatur T4. Die untere Platte 5 kann dabei die Wärme an das Wärmetransportmedium entweder durch direkten oder indirekten Wärmeleitungskontakt abgeben oder durch Wärmestrahlung.
Insbesondere bei Verwendung einer Vielzahl von Thermoelement kann die Stromerzeugungsvorrichtung bspw. auch im industriell-technischen Umfeld zur Stromerzeugung zum Einsatz kommen und es kann grundsätzlich jede beliebige Art von Wärmequelle oder Restwärme in Kühlanlagen, Kühlsystemen, Kühlkreisläufen oder dergleichen zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werde.
Die Stromerzeugungsvorrichtung 1 kann auch bei manchen Ausführungsbeispielen bei anderen Wärmetransportvorrichtungen verwendet werden, wie bspw. einer Geothermieanlage 11 mit bspw. nachgeschaltetem Geothermiekraftwerk 15 und sogar, bspw. bei einzelnen Häusern 16, die an ein Fernwärmenetz angeschlossen sind (2 und 3).
Eine Geothermieanlage 11, wie in 2 und 3 gezeigt, weist im Allgemeinen eine Förderbohrung auf, aus der warmes Wasser für einen Vorlauf 12 entnommen wird und eine Reinjektionsbohrung durch die (kaltes) Wasser durch einen (kälteren) Rücklauf 13 wieder in die Erde zur erneuten Erwärmung gepumpt wird. Dabei bilden der Vorlauf 12 und der Rücklauf 13 einen eigenen Geothermiekreislauf A, der bspw. durch einen Wärmetauscher WT von einem Fernwärmekreislauf B getrennt ist, der ein Geothermiekraftwerk 15 und Häuser 16 mit Wärme versorgt.
Über den Wärmetauscher WT gelangt die Wärme aus der Erde über eine Vorlaufleitung 18 zum Geothermiekraftwerk 15 und zu den einzelnen Häusern 16. Das Geothermiekraftwerk 15 und die Häuser 16 entnehmen als Wärmeverbraucher über entsprechende Wärmetauscher Wärme aus der Vorlaufleitung 18, die mit einem Wärmetransportmedium wie z. B. Wasser gefüllt ist. Das durch die Wärmentnahme abgekühlte Wasser wird dann mittels einer Rücklaufleitung 19 zurück zu dem Wärmetauscher WT geführt und dann dort, je nach Temperatur, wieder mittels des Rücklaufs 13 des Goethermiekreislaufes A durch die Reinjektionsbohrung in die Erde gepumpt (und dort wieder erwärmt).
Die Stromerzeugungsvorrichtung, die jeweils als TEG in 3 bezeichnet ist, kann nun an den verschiedensten Stellen sowohl im Geothermiekreislauf A als auch im Fernwärmekreislauf B zur thermoelektrischen Energiegewinnung (TEG) platziert werden. Dabei werden die Stromerzeugungseinrichtungen so platziert, dass eine bestehende funktions- und betriebsbedingte Temperaturdifferenz genutzt wird. Mit dieser zusätzlichen Wärmenutzung wird der Rücklauf weiter ausgekühlt und damit die bereits zu Tage geförderte Erdwärme besser ausgenutzt.
Die Stromerzeugungsvorrichtung kann dabei bspw. zwischen dem Vorlauf 12 und dem Rücklauf 13 im Geothermiekreislauf eingesetzt werden oder auch nur im Rücklauf 13. Dabei kann bspw. die Stromerzeugungsvorrichtung 1 verwendet werden, um den Rücklauf 13 weiter abzukühlen. Dabei wird bspw. der Rücklauf 13 in den Wärmezufuhrbereich 6 der Stromerzeugungsvorrichtung 2 (s. 1) geführt, sodass dort Restwärme im Rücklauf 13 abgegeben werden kann. Auf der Wärmeabfuhrseite 7 kann bspw. Grundwasser oder Luft oder ein anderes Kühlmittel verwendet werden, das kälter als die Rücklauftemperatur ist, sodass eine entsprechende Temperaturdifferenz zur Stromerzeugung hergestellt werden kann.
Auf ähnliche Weise kann bspw. die Stromerzeugungsvorrichtung 1 zur weiteren Auskühlung des Rücklaufes vom Geothermiekraftwerk 15 eingesetzt werden oder bspw. zu weiteren Auskühlung der Rückläufe 17 der jeweiligen Häuser 16. Dabei wird ebenfalls der jeweilige Rücklauf des Geothermiekraftwerks 15 bzw. die Rückläufe 17 der Häuser 16 in den Wärmezufuhrbereich 6 der Stromerzeugungsvorrichtung 1 geführt, sodass dort Restwärme abgegeben und zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Auf der Wärmeabfuhrseite 7 kann bspw. die Wärme mittels Grundwasser, Luftkühlung oder dergleichen abgeführt werden.
Außerdem kann die Stromerzeugungsvorrichtung 1 auch jeweils zwischen den Vor- und Rücklauf des Geothermiekraftwerks 15 oder der Häuser 16 eingesetzt werden. In diesen Fällen wird der jeweilige Vorlauf in den Wärmezufuhrbereich 6 und der Rücklauf durch den Wärmeabfuhrbereich 7 der Stromerzeugungsvorrichtung 1 geführt.
Grundsätzlich kann also die Stromerzeugungsvorrichtung 1 immer dann verwendet werden, wenn eine zur Stromerzeugung geeignete Temperaturdifferenz hergestellt werden kann.
So kann bei manchen Ausführungsbeispielen wenigstens ein Thermoelement 2 bzw. wenigstens eine Stromerzeugungsvorrichtung 1 in Kombination mit Photovoltaikelementen/-platten und oder Photovoltaikbauteilen verwendet werden.
Eine Photovoltaikanlage besteht normalerweise aus einer Vielzahl von Photovoltaikelementen, von denen in 4 ein einzelnes Photovoltaikelement 20 schematisch dargestellt ist. Sonnenstrahlung 22 trifft auf eine Vorderseite 21 des Photovoltaikelements 20 auf und wir dann in dem Photovoltaikelement 20 in elektrische Energie umgewandelt.
Durch die Sonnenstrahlung 21 wird das Photovoltaikelement erheblich aufgeheizt, was dessen Wirkungsgrad deutlich herabsetzt. Bei einer Montage auf einem Dach 25 erfolgt durch die Hinterlüftung, das heißt einen auf der Schattenseite des Photovoltaikelements 20 entlangfließenden Luftstrom 24, eine Kühlung auf der Schattenseite der Photovoltaikelemente 22.
Dadurch entsteht einen Temperaturdifferenz zwischen einer Rückseite 23 des Photovoltaikelements 22 und dem dahinter mittels Luftstrom 24 gekühlten Bereich 7.
Durch eine entsprechende Anordnung einer Stromerzeugungsvorrichtung 1, wie im Zusammenhang mit 1 erläutert, kann die durch die Sonneinstrahlung erzeugte Wärme weiter genutzt werden.
Dazu ist die Stromerzeugungsvorrichtung 1 mit der oberen Platte 4 in Wärmekontakt mit der Rückseite 23 des Photovoltaikelements 22, d. h. im Wärmezufuhrbereich 6 der Stromerzeugungsvorrichtung 1, angeordnet. Dadurch kann die Wärme an der Rückseite 23 des Photovoltaikelements 22 über die Platte 4 an das Halbleitermaterial 3 übertragen werden.
Die untere Platte 4 auf der kalten Seite des Thermoelements 2 wird durch den Luftstrom 24, der in einem Wärmeabfuhrbereich 7 entlangströmt, gekühlt. Dadurch entsteht eine entsprechende Temperaturdifferenz in der Stromerzeugungsvorrichtung 1, die zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Folglich wird die von dem Photovoltaikelement 22 nicht umgewandelte Wärme weiter in elektrische Energie umgewan delt.
Durch die Wärmeabfuhr der Stromerzeugungsvorrichtung 1 von der Rückseite 23 des Photovoltaikelements 22 wird zusätzlich das Photovoltaikelement 22 gekühlt und dadurch dessen Wirkungsgrad erhöht.
Folglich lässt sich durch den entsprechenden Einsatz der Stromerzeugungsvorrichtung 1 die Effizienz einer Photovoltaikanlage entsprechend steigern.
Bei manchen Ausführungsbeispielen sind eine Vielzahl von Photovoltaikelementen und eine entsprechende Vielzahl von Thermoelementen bzw. Stromerzeugungsvorrichtungen in einem Array zusammengefasst, um eine möglichst großflächige Photovoltaikanlage bereitzustellen.

Claims

Stromerzeugungsvorrichtung, umfassend: wenigstens ein Thermoelement (2), das eine erste Oberfläche (4) zur Aufnahme von Wärme aufweist und eine zweite Oberfläche (5) zur Abgabe von Wärme und das eingerichtet ist, aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten (4) und der zweiten Oberfläche (5) elektrische Energie zu erzeugen; wenigstens einen Wärmezuführbereich (6), der der ersten Oberfläche (4) des wenigstens einen Thermoelements (2) Wärme zuführt; und wenigstens einen Wärmeabführbereich (7), der Wärme von der zweiten Oberfläche (5) des wenigstens einen Thermoelements (2) abführt.
Stromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Thermoelement (2) ein Halbleitermaterial (3) umfasst.
Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter ein Array mit einer Vielzahl von Thermoelementen aufweisend, wobei die Thermoelemente elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Wärmetransportvorrichtung, insbesondere eine Geothermie-, Fernwärme oder Kühlanlage, umfassend eine Stromerzeugungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetransportvorrichtung einen wärmeführenden Transportkreislauf mit einem Wärmetransportmedium aufweist, der Transportkreislauf wenigstens einen Vorlauf (12, 18) und einen Rücklauf (13, 17, 19) aufweist, wobei das Wärmetransportmedium im Vorlauf (12, 18) eine höhere Temperatur als im Rücklauf (13, 17, 19) hat, der Vorlauf (12, 18) wenigstens teilweise im Wärmezuführbereich (6) der Stromerzeugungsvorrichtung (1) angeordnet ist, und der Rücklauf (13, 17, 19) wenigstens teilweise im Wärmeabführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung (7) angeordnet ist.
Photovoltaikvorrichtung zum Erzeugen von Strom, eine Stromerzeugungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfassend, wobei die Photovoltaikvorrichtung wenigstens ein Photovoltaikelement (20) mit einer Vorderseite (21) zum Auffangen von Sonnenstrahlen und eine Rückseite (23) aufweist; die Rückseite (23) des wenigstens einen Photovoltaikelements (20) wenigstens teilweise im Wärmezufuhrbereich (6) für das wenigstens eine Thermoelement (2) angeordnet ist; und der Wärmeabführbereich (7) wenigstens teilweise von einem Fluid (24), insbesondere Luft oder Wasser, durchströmt wird.
Photovoltaikvorrichtung nach Anspruch 5, welche eine Vielzahl von Photovoltaikelementen (20) und eine entsprechende Vielzahl von Thermoelementen (2) aufweist, wobei an jeder Rückseite eines Photovoltaikelements (22) wenigstens ein Thermoelement (2) angeordnet ist.
Photovoltaikvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher das Thermoelement (2) in einem wärmeleitenden Kontakt zum Photovoltaikelement (22) angeordnet ist.