DE2454129C3

DE2454129C3 - Vorrichtung zum Umwandeln von Umgebungswärme in elektrische Energie

Info

Publication number: DE2454129C3
Application number: DE2454129A
Authority: DE
Inventors: Otto Angelo Tampa Fla. Cremonese
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1974-11-14
Publication date: 1981-08-20
Also published as: FR2272520B1; DE2454129B2; GB1461479A; DE2454129A1; US3977909A; FR2272520A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von Umgebungswärme in elektrische Energie (thermoelektrischer Generator) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt (vgl. GB-PS 77 858). Bei der bekannten Vorrichtung sind die Rohrschlangen des Wärmetauschers längs der Innenwand der Umhüllung verlegt, wobei außerdem auch längs der Außenwand der Umhüllung Rohrschlangen verlegt sind. Durch die Rohrschlangen an der Außenwand strömt ein komprimiertes Kühlmittel, das dadurch der Umgebungstemperatur und damit der direkt oder indirekt von der Sonne eingestrahlten Wärmeenergie, d. h. der Umgebungswärme, ausgesetzt ist, wodurch das Kühlmittel kondensiert. Das kondensierte Kühlmittel wird über ein Expansionsventil den Wärmeschlangen an der Innenwand zugeführt, wo das Kühlmittel verdampft. Danach wird das verdampfte Kühlmittel dem Verdichter zugeführt. Zwischen den Wänden befindet sich eine Thermosäule aus flachen Stäben ungleicher Metalle. Da zwischen der Außenwand und der Innenwand ein Temperaturunterschied ständig aufrechterhalten wird, kann aufgrund des Seebeck-Effekies (vgL VDI-Z 105 [1963], Nr. 24, S. 1131-1136) elektrische Energie erzeugt werden. Diese elektrische Energie wird einerseits zum Betrieb des außerhalb der Umhüllung befindlichen Verdichters und andererseits zum Betrieb weiterer Verbraucher verwendet Das verwendete

ίο Kühlmittel ist vorzugsweise Ammoniak. Bei der bekannten Vorrichtung handelt es sich somit um einen thermoelektrischen Generator, bei dem elektrische Energie aus Wärme unter Vermeidung bewegter Teile erzeugt wird (vgl. dtv-Lexikon der Physik, Band 9 [Mai 1971], Deutscher Taschenbuch-Verlag GmbH & Co. KG, München, S. 114,115).

Der bei der bekannten Vorrichtung ausnutzbare Temperaturunterschied ist aufgrund des verwendeten Kühlmittels relativ gering und auch schwankend, wobei auch der Wirkungsgrad der Vorrichtung relativ niedrig liegt, d. h, daß die an etwaige Verbraucher abgegebene elektrische Energie niedrig ist

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei Sicherstellung einer Selbsthaltung bei der Umsetzung von Umgebungswärme in elektrische Energie die von der Vorrichtung unabhängigen Verbrauchern zugeführte elektrische Energie erhöht ist

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Verflüssigte, tiefsiedende Gase, sogenannte Flüssiggase, wie beispielsweise Flüssigstickstoff, unterliegen bei etwa gleichbleibenden Druckverhältnissen praktisch kaum Temperaturschwankungen. Auch die Umgebungstemperatur wird trotz des Entzugs von Wärmeenergie durch die heißen Lötstellen kaum verändert, da die durch die Sonnenstrahlung zugeführte Energie diesen Verlust sofort ausgleicht. Somit herrscht zwischen den Lötstellen ein im wesentlichen konstanter Temperaturunterschied, weshalb auch die von der Thermosäule abgegebene elektrische Energie im wesentlichen konstant bleibt. Da außerdem auch die heiße Lötstelle auf relativ niedriger, nämlich Umgebungstemperatur, und die kalte Lötstelle auf deutlich unter O⁰C befindlicher Temperatur liegen, ist der Widerstand der Thermosäule relativ niedrig. Da weiter die von der Thermosäule abgegebene elektrische Energie einem innerhalb der Umhüllung befindlichen Antrieb wie einem Gleichstrom- oder Wechselstrommotor zugeführt wird, ist auch dessen Wirkungsgrad stark erhöht, da nämlich aufgrund der innerhalb der Umhüllung vorliegenden sehr tiefen Temperatur die Wirkung des Magnetflusses stark erhöht ist Durch diesen Antrieb kann dann ein sich außerhalb der Umhüllung befindlicher Generator angetrieben werden. Die mechanische Verbindung zwischen dem Elektromotor und dem elektrischen Generator erfolgt z. B. über ein Paar starrer, drehbar angeordneter Wellen, die über eine Kupplungseinrichtung in Eingriff bringbar sind. Zur Verringerung des Verschleißes und zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist dabei jede Welle auf einem System von Abstützlagern angeordnet.

Vorzugsweise wird ein Teil der vom Generator erzeugten elektrischen Leistung dem Flüssiggaserzeuger zugeführt, um die durch Isolationsverluste durch die Umhüllung hindurch bedingte Erhöhung der Temperatur in der Innenkammer auszugleichen, d. h. um den Temperaturunterschied zwischen der tiefgekühlten

endlichen Wärmesenke und der Wärmequelle auf Umgebungstemperatur aufrechtzuerhalten.

Um die Isolationsverluste möglichst zu verringern, ist die Umhüllung doppelwandig aufgebaut, wobei zwischen den Wänden ein Vakuum erzeugt ist In diesem Vakuumraum ist dann auch die Thermosäule angeordnet

Von besonderem Vorteil ist es, wenn innerhalb des Innenraums eine ebenfalls von einer wärmeisolierenden Umhüllung umgebene zweite endliche Wärmesenke vorgesehen ist die ihrerseits den Elektromotor umgibt Die Temperatur der zweiten endlichen Wärmesenke ist dabei niedriger als die der ersten endlichen Wärmesenke und zwar so niedrig, daß eine Suprakühlung des Antriebs erreicht wird, d.h. daß ein Supraleit-Motor hohen Wirkungsgrades als Antrieb verwendbar ist Um die Suprakühlung zu erreichen, ist dabei innerhalb der zweiten Umhüllung ein Wärmetauscher vorgesehen, der von einem Suprakühlung erreichenden Flüssiggas wie Flüssigwasserstoff oder Flüssighelium durchströmt ist

Wenngleich die Investitions- und Installationskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung relativ hoch sein mögen, so kann im eingeschwungenen Zustand über eine sehr lange Zeit bei geringem Aufwand und geringem Verschleiß der Umgebung Energie entzogen werden. Das verflüssigte tiefsiedende Gas wird nämlich nicht verbraucht Die Verluste aufgrund von Wärmelecks, z. B. an der Durchdringung der Welle, sind insbesondere bei Vakuumisolierung äußerst gering, so daß die dem Flüssiggaserzeuger zur Umwälzung verflüssigten Gases zuzuführende Energie sehr gering ist. Die für die Inbetriebnahme erforderlichen Kosten können daher amortisiert werden, zumal für die erste Füllung im Handel erhältliches verflüssigtes Gas verwendet werden kann.

Da die Vorrichtung relativ kleine Baugrößen aufweisen kann, ist sie vielseitig anwendbar. Sie kann stationär vorgesehen sein, kann aber auch fahrbar und selbstfahrend sein. Sie kann z. B. bei Zügen und Kraftfahrzeugen verwendet werden. Dadurch kann der Verbrauch von fossilen Brennstoffen oder Kernbrennstoffen, unter Beseitigung der Gefahr einer Umweltverschmutzung, verringert werden.

Die Erfindung wird anhand des in der einzigen Figur der Zeichung dargestellten Blockschaltbildes eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Umwandeln von Umgebungswärme schematisch näher erläutert.

Die sich selbst erhaltende Umwandlungs-Vorrichtung 10 für Umgebungswärme hat eine erste endliche Wärmesenke 12 mit einem (ersten) Wärmetauscher 14 und einem einen Antrieb bildenden Elektromotor 16. Außerhalb der endlichen Wärmesenke 12 sind ein Flüssiggaserzeuger 18 als Kühlmittelquelle und ein elektrischer Generator 20 als Verbraucher angeordnet.

Die endliche Wärmesenke 12 besitzt eine Umhüllung 22 mit Seitenwänden 24,26,28 und 30 sowie einer (nicht gezeigten) oberen Abdeckung und einer Bodenwand 32. Jede der Seitenwände 24, 26, 28 und 30 hat eine Innenfläche und eine Außenfläche, die im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß dazwischen ein Hohl- oder Zwischenraum gebildet wird. Der Hohlraum selbst kann ein Vakuum für die Isolierung aufweisen. In dem Hohlraum kann jedoch auch irgendein anderer geeigneter Isolierstoff angeordnet sein. Wenigstens ein Teil der Seitenwände 24, 26, 28 und 30 hat eine Thermosäule 34 mit einer Vielzahl von Thermoelementen, die sich zwischen der Innen- und der Außenfläche erstrecken. Die kalten Lötstellen 36 stehen mit der inneren Kammer 38 der endlichen Wärmesenke 12 in Verbindung. Die heißen Lötstellen 40 stehen mit dem Außenraum, d.h. der Umgebung in Verbindung. Die Thermoelemente können reihen- oder parallelgeschaltet sein, so daß je nach Erfordernis eine Spannungsoder Stromaddition erreicht ist

Der erste Wärmetauscher 14 enthält eine Rohrschlange 42 mit einem Einlaß 44 und einem Auslaß 46, wobei Einlaß 44 und Auslaß 46 jeweils mit dem Flüssiggaserzeuger 18 verbunden sind. Der Flüssiggaserzeuger 18 kann irgendeine geeignete Einrichtung zum Verflüssigen von Stickstoff (bis -184°C/300°F) oder ähnlicher tiefsiedender Gase aufweisen. Das tiefgekühlte Gas wird von dem Flüssiggaserzeuger 18 dem ersten Wärmetauscher 14 über den Einlaß 44 zugeführt, zirkuliert durch die Rohrschlange 42 und wird zum Flüssiggaserzeuger 18 über den Auslaß 46 zurückgeführt Da das verflüssigte Gas im ersten Wärmetauscher 14 umläuft, wird die Kammer 38 der endlichen Wärmesenke 12 auf einer deutlich unter 0°C liegenden Temperatur gehalten. Der erreichte Temperaturunterschied zwischen den heißen Lötstellen 40 bei der äußeren atmosphärischen Umgebungstemperatur und den kalten Lötstellen 36 bei der unter 0⁰C liegenden Temperatur der endlichen Wärmesenke 12 erzeugt an der Thermosäule 34 elektrische Energie.

Der Elektromotor 16 ist z. B. ein Gleichstrommotor oder eine andere Einrichtung, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Der Gleichstrommotor ist elektrisch mit der Thermosäule 34 über Kabel 48 und 50 zur Erregung des Elektromotors 16 gekoppelt Da der Gleichstrommotor in der tiefgekühlten endlichen Wärmesenke 12 angeordnet ist, wird der Wirkungsgrad des Motors infolge der vergrößerten Wirkung des Magnetflusses erhöht Der Elektromotor 16 ist mechanisch mit dem elektrischen Generator 20 gekuppelt Die mechanische Kupplung weist eine erste Welle 52 und eine zweite Welle 54 auf, die an dem Elektromotor 16 bzw. an dem elektrischen Generator 20 befestigt sind. Die erste Welle 52 und die zweite Welle 54 sind miteinander durch eine Kupplung 56 verbunden. Zur Reduzierung des Verschleißes und zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist jede der Wellen 52 und 54 drehbar auf einem System von Stützlagern 58 gelagert.

Der elektrische Generator 20 ist ζ Β. ein Wechselstromgenerator oder irgendeine andere geeignete Einrichtung, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.

Die Vorrichtung 10 kann eine zweite endliche Wärmesenke 60 in dem Innenraum 38 der ersten endlichen Wärmesenke 12 haben. Die zweite endliche Wärmesenke 60 ist durch einen darin angeordneten zweiten Wärmetauscher 62 supragekühk, der über Leitungen 66 und 68 mit einem Erzeuger 64 für (z. B.) flüssigen Wasserstoff verbunden ist Infolge der Suprakühltemperatur in der zweiten endlichen Wärmesenke 60 wird der Magnetfluß in den (nicht gezeigten) Motorwicklungen beträchtlich erhöht, so daß der Elektromotor 16 supraleitend wird, wodurch der elektrische Widerstand aufgehoben und der Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe der Vorrichtung 10 erhöht sind. Die zweite endliche Wärmesenke 60 hat eine zweite Umhüllung mit Wänden 61, 63, 65, 67, von denen jede eine innere und eine davon beabstandete äußere Fläche hat, so daß zwischen diesen Flächen Vakuum hergestellt werden kann.

Im Betrieb kann ein Teil der von dem elektrischen

Generator 20 abgegebenen elektrischen Energie dem Flüssiggaserzeuger 18 über ein Kabel 70 für die Erzeugung und Zuführung von Flüssiggas zu dem ersten Wärmetauscher 14 zugeführt werden, um den Temperaturunterschied zwischen der gekühlten endlichen Wärmesenke 12 und der auf Umgebungstemperatur befindlichen (unendlichen) Wärmequelle aufrechtzuerhalten. Der Rest bzw. der Überschuß der von dem elektrischen Generator 20 erzeugten elektrischen Energie steht für eine externe Nutzung außerhalb der Vorrichtung 10 über Kabel 72 und 74 zur Verfügung. Es kann jedes geeignete Element als Stromleiter verwendet werden. Der Flüssiggaserzeuger 18 kann mit einer externen Energiequelle zur Erzeugung des Flüssiggases verbunden werden.

Wenn die zweite supragekühlte Wärmesenke 60 verwendet wird, wird sie durch Wasserstoff von dem Erzeuger 64 für flüssigen Wasserstoff suprag .kühlt. Der Erzeuger 64 für flüssigen Wasserstoff kann auch von dem elektrischen Generator 20 oder von einer externen Energiequelle mit Energie gespeist werden.

Infolge der bei diesem Prozeß benutzten tiefen Temperatur ist der Nutzungskoeffizienl in der elektrischen Schaltung der Vorrichtung 10 hoch. Dies ist im großen Ausmaß der fortschreitenden Verringerung des elektrischen Widerstandes in der Thermosäule 34 zuzuschreiben, da die Temperatur in der ersten endlichen Wärmesenke 12 reduziert ist. Weiter ist die Vorrichtung 10 vorteilhaft direkt an der Nutzungsstelle einsetzbar, wodurch die Notwendigkeit langer Übertragungsleitungen entfällt. Außerdem ist weder eine Kohlenwasserstoffe noch eine Kernenergie verwendende Quelle erforderlich.

Auf die beschriebene Weise wird die von der Thermosäule 34 erzeugte elektrische Energie wirksam in mechanische Energie durch den Elektromotor 16 und wiederum in elektrische Energie durch den Generator 20 umgewandelt, so daß man eine sich selbst erhaltende elektrische Thermosäulenenergiequelle erhält, die einen Überschuß an elektrischer Energie für die Betätigung und den Antrieb externer Vorrichtungen hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Umwandeln von Umgebungswärme in elektrische Energie (thermoelektrischer Generator), mit einer endlichen Wärmesenke, die von einer eine Kammer bildenden wärmeisolierenden Umhüllung begrenzt ist, und in der ein Wärmetauscher angeordnet ist, der mit einer zum Kühlen der Kammer dienenden Kühlmittelquelle außerhalb der Umhüllung verbunden ist, mit einer durch die Umgebung der Vorrichtung gebildeten Wärmequelle, mit einer Thermosäule zwischen dem die endliche Wärmesenke umgebenden inneren Teil der Umhüllung und dem äußeren Teil der Umhüllung, wobei die kalten Lötstellen der die Thermosäule bildenden Thermoelemente auf der Temperatur der Wärmesenke und die heißen Lötstellen auf der Temperatur der Wärmequelle sind, und mit einem mit der Thermosäule verbundenen Elektromotor und mit einem die von der Thermosäule abgegebene elektrische Energie ausnutzenden elektrischen Verbraucher außerhalb der Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel ein verflüssigtes tiefsiedendes Gas ist, daß der Elektromotor (16) innerhalb der Kammer (38) angeordnet ist, und daß der Verbraucher ein elektrischer Generator (20) ist, der mit dem Elektromotor (16) über eine die Umhüllung (22) durchdringende Welle (52,54) mechanisch verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine innerhalb der ersten endlichen Wärmesenke (32) angeordnete zweite endliche Wärmesenke (60) mit einer wärmeisolierenden Umhüllung, welche den Elektromotor (16) umgibt, dessen Wicklung mittels eines weiteren Flüssiggaserzeugers (64) supraleitend ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieabgabe des elektrischen Generators (20) mit dem ersten Flüssiggaserzeuger (18) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung der Umhüllung eine Vakuumisolierung ist.