DE202022102094U1

DE202022102094U1 - Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch

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Publication number: DE202022102094U1
Application number: DE202022102094.9U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2032-04-21

Abstract

Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Winter mit der zu erhitzenden Seite an einem Heizkörper montiert ist und diese im Sommer von der Außenwärme erhitzt wird.

Description

Aufgrund des Seebeck - Effekts wandeln thermoelektrische Generatoren Wärme in elektrische Energie um. Im Jahre 1821 wurde das Prinzip eines Thermoelements durch den Physiker Thomas Johann Seebeck beschrieben.
Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist z.Zt. wegen des nur kleinen umgewandelten Teiles des Camot-Wirkungsgrades gering. Ein großer Vorteil im Vergleich zu anderen stromerzeugenden Verfahren ist allerdings, dass keine beweglichen Teile vorhanden sind, die verschleißen können. So kommen sie zum Einsatz wo Solarzellen / Photovoltaik nicht oder nur schlecht zur Energieerzeugung eingesetzt werden können: z.B. in weit von der Sonne entfernten Weltraumsonden oder unter dem Auto, um die Abgaswärme zu nutzen.
Die inzwischen verwendeten Materialien für thermoelektrische Generatoren sind hauptsächlich Halbleiter oder in Kombination mit Halbleitern: z.B. Bleitellurid PbTe, Bismuttellurid, Bi₂Te₃, Silizium / Germanium SiGe, Eisen / Silizium FeSi₂, Bismut / Antimon BiSb. Dotierte Halbleiter haben eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit. Deshalb lassen sie sich u.a. gut für thermoelektrische Generatoren anwenden. Um nutzbare Spannungen zu erhalten, werden viele einzelne p und n dotierte Thermoelemente in Reihe geschaltet. Der beispielhafte schichtweise Aufbau eines thermoelektrischen Generators ist in folgender Reihenfolge: Keramik auf der heißen Seite, unterbrochene Metallbrücken, die jeweils einen p- und einen n-dotierten Halbleiter verbinden, p- und n-dotierte Halbleiter, unterbrochene Metallbrücken, Keramik auf der kalten Seite, wobei an der ersten und letzten Metallbrücke der Strom abgegriffen wird.
Als relevante Stromerzeuger spielen sie bis jetzt häufig nur eine Nebenrolle. Allerdings erzeugen thermoelektrische Generatoren aus dem heißen Abgasstrom vom Auto Strom von z.B. 200 Watt.
Es gibt viele Patentschriften zum Thema thermoelektrische Generatoren, s.a. IPC H01L35/00 und je nach Einbau im verwendeten Gerät in den entsprechenden Kapiteln der IPC.
Beispielhaft sind hier nur einige für die Erfindung relevante Veröffentlichungsnummern mit dem entsprechenden Bezug erwähnt:

DE102013213535B3 , Grundlagen für preiswerte und nicht toxische thermoelektrische Generatoren,
WO002016205058A1 , die kombinierte Nutzung z.B. mit Photovoltaik und Abdeckungen,
CN000214069829U , eine verwendete Linse für die Konzentration von Sonnenlicht und damit größere Hitze sowie außen angebrachte Kühlrippen,
DE102011005206A1 , kombiniert mit einem Flachrohr,
DE102013204166A1 , mit einem thermischen Reservoir,
DE102012208406A1 , die fensternahe Nutzung zum Kühlen und Heizen,
DE102012016642A1 , die Temperaturdifferenz von Innenräumen und einem Heizkörper wird genutzt,
WO002010133814A1 , als Stromlieferant für ein zusätzliches Gerät wie z.B. eine Lampe und Aufladen eines Akkus / einer Batterie.

Meine Erfindung basiert auf der Weiterentwicklung von thermoelektrischen Generatoren zur effizienten Nutzung. Die vorhandenen Lösungen erfüllen ihre den Umständen entsprechende Funktion haben aber nicht die Möglichkeiten der o.g. Erfindung.
Die Möglichkeit eines schnell zu installierenden thermoelektrischen Generators mit relevanter Stromerzeugung ist gewünscht und die im Schutzanspruch 1 angegebene Erfindung eines thermoelektrischen Generators zur ertragreichen Stromerzeugung an einem Heizkörper für den Haus- und Bürogebrauch erfüllt diese Anforderungen.
Ein Ausführungsbeispiel:
Seit langer Zeit wird durch Solarzellen / Photovoltaik nicht nur im häuslichen Bereich Strom erzeugt. Leider ist der Ertrag im Winter, also während der Heizperiode (sehr) gering.
Zur effektiven Stromerzeugung durch thermoelektrische Generatoren wird eine möglichst große Temperaturdifferenz benötigt. Nach Schutzanspruch 2 besteht durch die Erfindung die Möglichkeit die Außenkälte (z.B. 5 Grad Celsius) mit der Heizkörpertemperatur (z.B. 55 Grad) zu kombinieren. So besteht zumindest eine theoretische Temperaturdifferenz von 50 °.
Auch wenn die Temperaturdifferenz mit z.B. Autoabgasen und der Umgebungsluft nicht vergleichbar ist, wird durch die deutlich größere Kontaktfläche eines Heizköper (z.B. 2x0,8 qm) ein Teil der geringen Stromerzeugung wieder ausgeglichen.
Somit ist die vorliegende Erfindung als Ergänzung zu einer bestehenden Photovoltaikanlage zu sehen oder - wenn keine Installation von Solarzellen möglich ist - auch alleinstehend. Es sollten ausschließlich speziell für die Stromproduktion konstruierte thermoelektrische Generatoren verwendet werden, da Peltierelemente für die Kälte- und / oder Wärmeerzeugung üblicherweise einen schlechteren Wirkungsgrad haben.
In 1 (frontale Ansicht) und 2 (Seitenansicht) ist eine typische Installation der thermoelektrischen Generatoren zu sehen. Die kleine Pumpe, die die Wärme bzw. Kälte übertragende Flüssigkeit (entsprechend einer Kollektorflüssigkeit) befördert, kann (wie im Schutzanspruch 3 dargestellt) mit dem erzeugten Strom betrieben werden und ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Nach Schutzanspruch 4 ist außerdem in 1 das Flachrohr 8 auf der Innenseite im Raum etwas kleiner als die Platte 7 mit den thermoelektrischen Generatoren gezeichnet, damit der Aufbau überschaubarer ist. Der Heizkörper 6 ist hier im Hintergrund. Die Leitungen der „Kollektorflüssigkeit“ 5 (von innen nach außen und wieder zurück) müssen (wie im Schutzanspruch 5 dargestellt) gut isoliert sein und können nach Schutzanspruch 6 mit geringem Aufwand durch den Fensterrahmen 2 geführt werden. Natürlich sind auch etwas aufwendigere Bohrungen durch das Mauerwerk 9 möglich. Es ist (wie im Schutzanspruch 7 dargestellt) kein potentiell klimaschädliches „Kühlmittel“ und kein hoher Flüssigkeitsdruck nötig.
Die Installation der Erfindung ist im Gegensatz zu einer Zentralheizung oder Kombination mit einer Zentralheizung auch von Hobby-Handwerkern durchführbar. Da keine potentiell umweltschädlichen Kühlmittel verwendet werden, gibt es auch keine entsprechenden Vorschriften.
Eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Heizkörper und den thermoelektrischen Generatoren (bzw. Weiterleitung der „Kälte“ des Heizkörpers im Sommer) ist für den Stromertrag von entscheidender Bedeutung. Nach Schutzanspruch 8 ist die Wärmeleitfähigkeit verwendeter Materialien von großer Bedeutung. Die Wärmeleitfähigkeit häufig verwendeter Metalle in absteigender Reihenfolge sind: Silber Ag, Kupfer Cu dann Aluminium Al.
Je nach Heizkörpertyp können (wie im Schutzanspruch 9 dargestellt) 1 bis 4 Platten mit vielen „Thermoelementen“ verwendet werden. Nach Schutzanspruch 10 können die Platten mittels Magneten, eingehängt, verschraubt oder mit Hebeln / Klemmen an dem Heizkörper befestigt werden. Übliche Heizkörperflächen betragen z.B. 0,8 oder 0,6 qm.
Die Wärmeleitplatten aus Metall sollten (wie im Schutzanspruch 11 dargestellt) exakt passende Erhöhungen für die einzelnen thermoelektrischen Generator - Module haben und mit Wärmeleitpaste versehen werden.
Nach Schutzanspruch 12 muss das Flachrohr auf der Innenseite 8 gut isoliert sein, damit die Raumluft nicht abkühlt.
Zu Beginn der warmen bzw. kalten Jahreszeit werden (wie im Schutzanspruch 13 dargestellt) die Kalt- und Heißpole der thermoelektrischen Generatoren „die Seiten wechseln“ und deshalb die Platten mit den thermoelektrischen Generator - Modulen „umgedreht“. Die Platte mit den heizungsnahen thermoelektrischen Generatoren vom Winter wechselt auf die andere Seite des Flachtanks im Raum. Auch die abnehmbare Isolierung im Raum wechselt die Seite. Nach Schutzanspruch 14 ist es vorteilhaft im Sommer auf das Flachrohr im Außenbereich 10 eine dünne schwarze Metallplatte zu befestigen (magnetisch, eingehängt, mit Hebel festklemmen o.a.), um die Flüssigkeit im äußeren Flachrohr stärker zu erhitzen.
Falls die Platten mit den thermoelektrischen Generatoren nicht direkt am Heizkörper befestigt werden sollen, kann (wie im Schutzanspruch 15 dargestellt) mit einer U- förmigen Wärmeleitung (von der Seite gesehenen) ein Abstand geschaffen werden.
Nach Schutzanspruch 16 ist im Außenbereich für den Sommer ein größerer isolierter Flachtank möglich, so dass auch nachts Kollektorflüssigkeit / heiße Lösung / Solarflüssigkeit zirkulieren kann.
Optional können (wie im Schutzanspruch 17 dargestellt) im Winter zusätzliche Kühlrippen im Außenbereich angebracht werden (im Sommer dienen diese als „Hitzerippen“), die die Effektivität durch die dann kältere zirkulierende Flüssigkeit erhöhen.
Thermoelektrische Generatoren können natürlich auch an einer Zentralheizung angebracht werden, da dort größere Temperaturdifferenzen vorliegen. Allerdings wird es in Zukunft weniger Gas- und Ölheizungen mit dann hohen Temperaturdifferenzen geben, da vermehrt Wärmepumpen verbaut werden. Nach Schutzanspruch 18 könnten auch hier die thermoelektrischen Generatoren direkt am Vorlaufabgang der Wärmepumpen - Heizung im Keller installiert werden. Der Vorteil hinsichtlich des Stromertrages ist aber im Vergleich zu den am Heizkörper installierten thermoelektrischen Generatoren (abgesehen von der Optik) nicht groß. Die Installation an der Zentralheizung sollte natürlich von Fachhandwerkern vorgenommen werden.
Somit wird in der kalten Jahreszeit nur ein kleiner Teil der durch die Heizung erzeugten Wärme durch die thermoelektrischen Generatoren „verbraucht“ und über den ganzen Tag und ggf. an mehreren Heizkörpern eine relevante Strommenge erzeugt. Der erzeugte Strom kann natürlich auch für eine Wärmepumpe verwendet werden. Ein kleiner Beitrag zur Energiewende, der zum großen Teil in Eigenarbeit erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

(1): Fensterflügel
(2): Fensterzarge / Fensterrahmen
(3): Fensterbrett
(4): Stromanschluss (Ausgang)
(5): isolierte Flüssigkeitsleitungen
(6): Heizkörper
(7): Platte mit thermoelektrischen Generatoren
(8): isoliertes Flachrohr Innenraum
(9): Mauerwerk
(10): Flachrohr Außenseite / Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013213535 B3 [0006]
WO 002016205058 A1 [0006]
CN 000214069829 U [0006]
DE 102011005206 A1 [0006]
DE 102013204166 A1 [0006]
DE 102012208406 A1 [0006]
DE 102012016642 A1 [0006]
WO 002010133814 A1 [0006]

Claims

Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Winter mit der zu erhitzenden Seite an einem Heizkörper montiert ist und diese im Sommer von der Außenwärme erhitzt wird.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlende Seite des thermoelektrischen Generators im Winter von der Außenkälte und im Sommer von der Raumtemperatur gekühlt wird.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe die Wärme bzw. Kälte übertragende Flüssigkeit („Kollektorflüssigkeit“) mit dem erzeugten Strom oder mit externem Strom betrieben wird.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Raum ein isoliertes Flachrohr am thermoelektrischen Generator installiert ist.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Winter die Leitungen mit der kalten „Kollektorflüssigkeit“ bzw. im Sommer die Leitungen mit der heißen Flüssigkeit von innen nach außen und wieder zurück isoliert sind.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen durch den Fensterrahmen oder durch das Mauerwerk geführt werden.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kein potentiell klimaschädliches Kühlmittel verwendet und kein hoher Flüssigkeitsdruck erzeugt wird.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dort wo es sinnvoll ist die verwendeten Materialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben (z.B. Silber Ag, Kupfer Cu oder Aluminium Al).
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Heizkörpertyp 1 bis 4 Platten mit vielen „Thermoelementen“ installiert werden.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten mit den thermoelektrischen Generatoren mittels Magneten, eingehängt, verschraubt oder mit Hebeln / Klemmen an dem Heizkörper befestigt werden..
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatten aus Metall exakt passende Erhöhungen für die thermoelektrischen Generator - Module haben und mit Wärmeleitpaste versehen sind.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachrohr im Raum / der Innenseite isoliert ist.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der warmen Jahreszeit bzw. zu Beginn der kalten Jahreszeit die Platten mit den thermoelektrischen Generator - Modulen „umgedreht“ werden und auch die abnehmbare Isolierung des Flachrohrs im Raum „die Seite wechselt“.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Sommer am Flachrohr im Außenbereich eine dünne schwarze Metallplatte befestigt wird (magnetisch, eingehängt, verschraubt, mit Hebel festklemmen o.a.).
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten mit den thermoelektrischen Generatoren nicht direkt am Heizkörper sondern mit einer (von der Seite gesehenen) U- förmigen Wärmeleitung befestigt werden.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Außenbereich ein größerer isolierter Flachtank statt des Flachrohrs installiert ist.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Kühlrippen bzw. „Hitzerippen“ am Flachrohr bzw. Flachtank im Außenbereich angebracht werden.
Thermoelektrischer Generator zur ertragreichen Stromerzeugung für den Haus- und Bürogebrauch, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Generatoren direkt am Vorlaufabgang einer Wärmepumpe installiert werden.