DE2913000A1

DE2913000A1 - Thermoelektrischer generator

Info

Publication number: DE2913000A1
Application number: DE19792913000
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Ing Bojak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-03-31
Filing date: 1979-03-31
Publication date: 1980-10-16

Description

THERMOELEKTRISCHER GENERATOR
(Solar-Generator) Thermoelektrische Generatoren, speziell auch in der Bauweise als Thermosaeule, sind seit vielen Jahren bekannt, haben aber in der praktischen Anwendung noch kaum Bedeutung erlangt, besonders weil der Wirkungsgrad fuer die Umwandlung von Waermeenergie in elektrische Energie noch unbefriedigend war. Ein weiteres Problem liegt in der Notwendigkeit, eine grosse Anzahl Thermoelemente hintereinander zu schalten, um im elektrischen Ausgang brauchbare Werte fuer Strom, Spannung und Leistung zu erzielen. Dies fuehrte nach den bisher bekannten Vorschlaegen in der Ausfuehrung zu einer aufwendigen Bauweise.
Andererseits ist ein thermoelektrischer Wandler ein solides System fuer einen Strom-Generator mit langer Lebensdauer, da die aktiven Bautcilc keinem Verschleiss unterliegen, sofern nicht an der sog.
Heiss-l.oetstelle extrem hohe Temperaturen zur Einwirkung kommen.
Der Nachteil des mit den bisher verwendeten Materialien und Anordnungen erzielbaren niedrigen Wirkungsgrades ist von geringerer Bedeutung, wenn die umzuwandelnde Primaer-Waermeenergie als Abfallwaerme angeboten wird oder gewissermassen kostenlos, beispielsweise als Solar-Strahlungsenergie. Ein moeglichst optimaler Wirkungsgrad ist auch dann anzustreben; er ist aber nicht mehr dominierend. Andererseits bleibt die Forderung nach ~einem technisch verwertbaren elektrischen Ausgang des Umwandlers bzw. der Thermosaeule bestehen.
Abgesehen von der Anzahl und den Abmessungen der hintereinandergeschalteten Thermoelemente in einer Saeule sind Spannungen und Leistungen von der Temperatur-Differenz zwischen den sog. Heiss-und Kalt-Loetstellen abhaengig. Die Temperatur der Heiss-Loetstellen richtet sich nach der verfuegbaren Waermeenergie-Quelle und ist begrenzt durch die Material-Eigenschaften der Element-Schenkel.
Die Temperatur der Kalt-Loetstellen muss moeglichst niedrig gehalten werden und zuverlaessig konstant, insbesondere bei relativ niedriger Temperatur an der Heiss-Loetstelle.
Die Erfindung beschreibt Thermosaeulen bzw. thermoelektrische Generatoren nach einem besonders einfachen und kosten-guenstigen Bauprinzip und ausserdem mehrere Verfahren und Anordnungen zur Kuehlung der Kalt-Loetstellen. Spezielle Bauarten und Anordnungen beschreiben die Anwendung als Solar-Generator mit Zusatz-Einrichtungen.
Statt der ueblichen Kontakt-Verbindung der Element-Schenkel durch Loeten und Schweissen, also durch den sog. Material-Schluss,wird erfindungsgemaess der elektrische Kontakt durch Zusammenpressen von Kontakt-Flaechen, also durch Kraft-Schluss, hergestellt. Die Element-Schenkel und die anderen Bauteile der thermoelektrischen Saeule bestehen daher vorzugsweise aus nebeneinander geschichteten ebenen Platten, die in kosten-guenstiger Weise etwa aus Blechen oder Baendern heraus-geschnitten oder - gestanzt werden koennen.
Fig. 1 zeigt den grundsaetzlichen Aufbau einer solchen Thermosaeule aus geschichteten Platten. In bekannter Weise werden jeweils zwei Element-Paare abwechselnd hintereinander geschaltet. Bekannte Kombinationen sind Metalle wie Kupfer-Konstantan, Eisen-Konstantan, Nickelchrom-Nickel, Nickelchrom-Konstantan, Platin-Platinrhodium oder auch Halbleiter wie Blei-Tellurid oder Zink-Antimonid.
In der Darstellung ist als Beispiel das Element-Paar Kupfer-Konstantan (Cu-Ko) gewaehlt. Die Ziffer 1 kennzeichnet den Element-Schenkel Cu, die Ziffer 2 den Schenkel Ko. Mit 3 ist ein Kontakt-bzw. Verbindungs-Stueck bezeichnet an den sogenannten Loetstellen, das aus dem Material der Elemente oder aus einem anderen Metall bestehen koennte. Ziffer 4 bezeichnet eine isolierende Einlage bzw.
Platte. Die Fig. la zeigt einen Laengsschnitt durch die Thermosaeule, Fig. lb einen Querschnitt (durch die Ko-Platte). Breite und Hoehe der Platten sind mit a und b bezeichnet; die Platten-Staerke ist durch cl - c4 angegeben. Die Gesamt-Laenge der Thermosaeule ist mit * bezeichnet.In der gewaehlten Darstellung haben alle Bauteile der Saeule eine ebene Oberflaeche und eine gleiche Platten-Staerke.
In der Fig. lc ist zusaetzlich eine Halte- und Spann-Vorrichtung eingezeichnet. Die Anordnung zeigt eine Draufsicht in Richtung x.
Zur Fuehrung der zunaechst lose aneinander gereihten Platten dienen Fuehrungs-Schienen oder -Waende F1 und F2 mit einer inneren Isolier-Schicht oder ganz aus Isolier-Material.Zur Verspannung der Saeulen-Platten dienen Spann-Platten P1 und P2 mit den Spann-Bolzen bzw. -Schrauben B1 und B2. Prinzipiell sind auch andere Fuehrungs- und Spann-Vorrichtungen denkbar, wenn die Form-Stabilitaet der geschichteten Saeule sichergestellt ist mit dem Press-Kontakt an den Loetstellen und wenn die Heiss-Loetstellen fuer Waermezufuhr und die Kalt-Loetstellen an der gegenueberliegenden Seite fuer eine Kuehlung zugaenglich bleiben. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden die elektrischen Anschluesse am Anfang und Ende der Saeule nicht eingezeichnet.
Die Verspannung der Saeule soll insbesondere einen einwandfreien elektrischen Kontakt an den sog. Loetstellen gewaehrleisten. Es muss daher u.a. darauf geachtet werden, dass die Staerke c4 der Isolier-Platte nicht groesser oder eventuell kleiner ist als die Staerke der Kontaktstuecke 3. Die Isolier-Platten koennten auch aus elastischem Material bestehen. In einer Variante nach Fig. 2a sind auch die Isolier-Platten 4' nur als schmale Streifen mit der gleichen Breite b wie die Kontaktstuecke 3 dargestellt. Zwischen diesen Streifen befindet sich ein isolierender Luftraum 4". In der Abbildung 2b ist in den Luftraum ein Distanz-Stueck 4"' aus isolierendem Material eingelegt, dessen Wandstaerke kleiner als die Wandstaerke der eingelegten Streifen 3 und 4 ist.
Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine Thermosaeule, wobei die Schenkel 1 ueber die Kalt-Loetstelle hinaus als Kuehl-Rippen verlaengert sind. In der Darstellung ist der Element-Bereich mit E und der Kuehl-Bereich mit K gekennzeichnet. Die Ebene der Heiss-Loetstellen ist durch EH und die Ebene der Kalt-Loetstellen durch EK angegeben. In gleicher Weise koennte auch der Element-Schenkel 2 oder mit besonderem Vorteil auch das Kontakt-Stueck 3 als Kuehl-Rippe verlaengert werden, je nach Auswahl auch zusaetzlich zu einer anderen Rippe.
Die Kuehl-Rippen dienen zur Ableitung der zu den Kalt-Loetstellen hinfliessenden Waerme bzw. zur Absenkung auf ein moeglichst niedriges Temperatur-Niveau.
In bekannter Weise koennte die Waerme durch Konvektion von durchstroemender Luft oder elektrisch nicht leitenden Fluessigkeiten abgefuehrt werden. Wenn die Oberflaeche der Strom fuehrenden Bauteile isoliert wird, kann auch Wasser verwendet werden mit besonderem Vorteil, wenn der thermoelektrische Generator in Verbindung mit dem Antrieb einer Pump-Anlage eingesetzt ist.
Zur Erzeugung einer hohen elektrischen Betriebsspannung kann es erforderlich sein, mehrere Saeulen hintereinander zu schalten, raeumlich aber uebereinander anzuordnen. Damit der Kuehl-Effekt an den Kalt-Loetstellen an jeder Saeule etwa gleich ist, koennen spezielle Anordnungen nach Fig. 4 gewaehlt werden.
Fig. 4a zeigt in Seitenansicht drei uebereinander angeordnete Thermosaeulen E1 - E3 mit den zugehoerigen Kuehl-Rippen K1 - K3.
Von oben fliesst Wasser W durch das Rippen-System. Da ein Teil des Wassers nach der Beruehrung mit den Rippen K1 vorgewaermt ist, wird die Waermeaustausch-Flaeche bei K2 vergroessert und danach ebenso bei K3. Ebenso koennte die Anzahl der Kuehl-Rippen in Richtung des Kuehl-Stromes gesteigert werden.
Fig. 4b zeigt eine Anordnung mit schraeg versetzt uebereinander angeordneten Saeulen, die fuer eine Kuehlung durch Luft L, unter Umstaenden mit natuerlichem Auftrieb, sowie fuer eine freie Zufuhr von Waerme an die Heiss-Loetstellen, beispielsweise durch Solar-Strahlung, vorteilhaft sein kann.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung speziell fuer Betrieb mit Solar-Energie wobei die Solar-Strahlung auch zur Verstaerkung der Luft-Kuehlung verwendet wird.
Die Thermosaeulen E1 - E3 sind auf einen Luft-Kanal LK derart aufgesetzt, dass die zugehoerigen Kuehl-Rippen K1 - K3 in das Innere des Kanals hereinragen. Die Heiss-Loetstellen werden durch die Solar-Strahlen S1 erwaermt. Der nach oben fuehrende Teil des Luft-Kanals ist als Kamin ausgebildet. Die unten einstroemende Luft erwaermt sich an den Kuehl-Rippen und wuerde bereits mit natuerlichem Zug durch den Kamin nach oben stroemen. Die Auftriebs- bzw. Saug-Wirkung des Kamins wird verstaerkt durch einen zusaetzlichen Thermo-Auftrieb, der in einer Kamin-Zone SK erzeugt wird. Die der Sonne zugewandten Waende sind dort fuer die Solar-Strahlung S2 durchlaessig. Waerme-absorbierende Einbauten im Kamin in der Zone SK erhitzen die von unten zustroemende Luft auf noch hoehere Temperaturen als bei den Kuehl-Rippen und erzeugen einen zusaetzlichen thermischen Auftrieb, der die Luft-Geschwindigkeit und damit die Kuehl-Wirkung vergroessert. Diese Einrichtung kann als"Solar-Thermo-Saugzug"bezeichnet werden.
In Anlehnung an die bekannten Wasser-Kuehltuerme koennte auch eine kombinierte Luft-Wasser-Kuehlung vorgesehen werden, insbesondere bei Kuehlwasser-Umlauf, wenn kaltes Wasser aus einer Brunnen-Foerderung nicht zur Verfuegung steht.
In tropischen Gebieten mit relativ trockener Umgebungsluft und ausreichend verfuegbarem Wasser waere auch eine Vor-Kuehlung der Luft nach der dort bekannten Methode der Verdunstungs-Kuehlung anwendbar.
Eine Kuehlung der Kalt-Loetstellen koennte in Anlehnung an den Peltier-Effekt auch durch Uebertragung der Waerme an die Heiss-Loetstellen einer anderen Thermosaeule erfolgen, wo die Waerme bei gleichzeitiger Kuehl-Wirkung in elektrischen Strom transformiert wird. Fig. 6 zeigt entsprechende Anordnungen fuer einen Waerme-Austausch. In der Anordnung nach Fig. 6a sind drei Thermosaeulen Ei - E3 derart uebereinander aufgebaut, dass zwischen den Kalt-Loetstellen der oberen Saeule- E1 und den Heiss-Loetstellen der darunter angeordneten Saeule E2 ein Waerme-Kontakt besteht.
Entsprechend zwischen E und E3. Andererseits muessen die Thermosaeulen gegeneinander elektrisch isoliert bleiben. Zu diesem Zwecke sind Zwischen-Schichten Z1 und Z2 eingelegt, die einen Waerme-Durchgang,z.B. durch Waerme-Leitung, ermoeglichen aber keinen oder nur unwesentlichen Strom-Durchgang.
Als waerme-leitende Zwischen-Schichten Z koennen auch Fluessigkei-Wn verwendet werden. Auch ein kleiner Luftspalt ist moeglich, wobei dann der Waerme-Austausch vorwiegend durch Strahlung erfolgt.
Zur Verbesserung der Waermeuebertragung koennen die gegenueberliegenden Waerme-Austausch-Flaechen vergroessert werden, etwa in Form von ineinandergesteckten Rippen, wie Fig. 6b zeigt. Es sind dort wiederum drei Thermosaeulen E1 - E3 uebereinander angeordnet.
In der vorher beschriebenen Weise sind Element-Schenkel als Rippen verlaengert, wobei, wie bei E2 gezeigt, die Rippen nach beiden Seiten herausragen koennen, K2' zum Waermeaustausch mit E1 und K2 mitte3. Zwischen den Rippen befindet sich entweder Luft oder ein Waermeleit-Medium.
Fig. 7 zeigt Anordnungen bzw. Einrichtungen zur Konzentration der Solar-Strahlung S auf die Heiss-Loetstellen von Thermosaeulen.
Fig. 7a zeigt im Querschnitt eine Thermosaeule E derart in einen Kollektor-Spiegel SP, z.B. als Parabol-Spiegel, eingebaut, dass die Heiss-Loetstellen EH in der Brenn-Linie des Spiegels angebracht sind und die Kalt-Loetstellen EK ausserhalb des Spiegels.
Es genuegt u.U. auch, in das Innere des Spiegels bis zur Brenn-Linie nur das nach oben als Rippe verlaengerte Kontakt-Stueck 3 heleillzufuehrerl und die Strahlungswaerme dann durch Leitung an die IIeiss-Loetstelle zu bringen.
In Fig. 7b ist als Strahlungs-Kollektor eine Linse SL dargestellt, wobei wiederum die Solar-Strahlen S auf die Heiss-Loetstellen EH der beispielsweise in eine Platte EP eingesetzten Thermosacule E konzentriert werden. -Die vorbeschriebene Bauart der Thermosaeulen aus nebeneinandergeschichteten duennen Platten bietet mehrere wesentliche Vorteile.
Bei grossem Querschnitt fuer die Strom-Leistung bleibt auch bei vielen hintereinandergeschichteten Element-Paaren die Gesamt-Laenge der Saeule relativ kurz. Die Modul-Bauweise aus Platten ist weiterhin guenstig fuer Zusammenbau und Anpassung an verschiedene geforderte Laengen sowie eventuelle Reparaturen.
Die fertigungstechnisch einfache Ergaenzung durch Kuehl-Rippen unter Beibehaltung der Platten-Bauweise mit der daraus resultierenden wirksamen Kuehlung der Kalt-Loetstellen ist ein weiterer Vorteil.
Die beispielsweise im Stanz-Verfahren herzustellenden und lediglich durch Pressung miteinander verbundenen Platten fuehren zu einer sehr kosten-guenstigen Herstellung.
Leerseite

Claims

Patentansprueche 1)1Thermoelektrischer Generator in der Bauart als Thermosaeule derart gekennzeichnet, dass die Element-Schenkel (1) und (2) aus ebenen Platten bestehen, die durch dazwischen eingelegte Isolier-Platten oder -Schichten t4) getrennt sind und an den sog. Loetstellen mittels dort eingelegter elektrisch leitender Kontakt-Stuecke bzw. Platten-Streifen (3) verbunden sind und zwar derart, dass der Kontakt durch Zusammenpressen der nebeneinander geschichteten Platten erfolgt.
2) Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel-Platten (1) und (2) gleiche, vorzugsweise rechteckige, Abmessungen haben und dass die Kontakt-Stuecke (3) und die Isolier-Platten (4) mit ihren Abmessungen innerhalb der Umriss-Begrenzung der Schenkel-Platten liegen.
3) Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder 2) zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Isolier-Platte (4) etwas duenner ist als das Kontakt-Stueck (3) oder aus elastischem Material besteht.
4) Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder 2) zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Isolier-Platte aehnlich dem Kontakt-Stueck als Platten-Streifen (4') ausgebildet ist, wobei sich zwischen dem Kontakt-Stueck (3) und dem Isolier-Streifen (4') ein Luftspalt (4") befindet oder ein Distanz-Stueck (4t) aus Isolier-Material.
5) Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass die geschichteten Platten der Thermosaeule zwischen Fuehrungs-Schienen oder -Waende gelegt sind und das Zusammenpressen durch Spann-Schrauben oder -Keile erfolgt, wobei zusaetzlich zum Ausgleich von Waerme-Dehnungen vorgespannte elastische Elemente, beispielsweise Federn, eingelegt werden koennen.
6) Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass je Thermopaar ein oder beide Element-Schenkel oder das Kontakt-Stueck allein oder zusaetzlich ueber die Kalt-Loetstelle hinausragend als Kuehl-Rippe verlaengert werden.
7) Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass die fuer ein Kuehl-Medium zugaenglichen Oberflaechen durch eine elektrisch isolierende Schicht derart abgedeckt sind, dass auch elektrisch leitende Medien, z.B. Wasser, zur Kuehlung verwendet werden koennen.
8) Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass bei uebereinander angeordneten Thermosaeulen zur Ausgleichung des Kuehl-Effekts die Kuehl-Rippen mit verschiedener Laenge und/oder verschiedener Anzahl angeordnet werden.
9) Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Thermosaeulen schraeg versetzt uebereinander angeordnet werden.
lO)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass - vorzugsweise bei Betrieb mit Solar-Energie - die Thermosaeulen derart auf einem Kuehl-Luft-Kanal angeordnet sind, dass die Kuefll-Rippen in das Innere des Kanals hineinragen und dass der Kuehl-Kanal im weiteren Verlauf als Kamin ausgebildet ist.
ll)Thermoelektrischer Generator nach Anspruech 10) zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass in den Kamin - beispielsweise durch Solar-Strahlung - aufheizbare Elemente eingebaut sind, die einen zusaetzlichen Thermo-Auftrieb bzw. -Saugzug fuer die Kuehl-Luft erzeugen.
12)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass nach der Methode der Kuehl-Tuerme eine kombinierte Wasser-Luft-Kuehlung verwendet wird, wobei der Auftrieb der Luft im Wasser-Kuehlturm durch einen Thermo-Saugzug, beispielsweise mittels Solar-Strahlung, verstaerkt werden kann.
13)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Kuehl-Luft nach der Methode der Verdunstungs-Kuehlung vor Eintritt in den Kuehl-Kanal vorgekuehlt wird.
14)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Kuehlung der Kalt-Loetstellen zwei oder mehrere Thermosaeulen derart uebereinander gelagert sind, dass ein Waerme-Austausch zwischen den Kalt-Loetstellen der oberen Saeule mit den Heiss-Loetstellen der unteren Saeule erfolgt unter Vermeidung bzw. weitgehender Reduzierung eines elektrischen Kontakt-Stromes.
15)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 14) zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die uebereinander gelagerten Thermosaeulen Zwischen-Schichten Z - vorzugsweise aus festem oder fluessigem Material - gelagert werden, die einen relativ guten Waerme-Durchgang erlauben, jedoch keinen oder nur einen unwesentlichen Strom-Durchgang.
16)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 14) zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass der Waerme-Austausch durch Strahlung erfolgt.
17)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 14), 15) oder 16) zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergroesserung der Waerme-Austausch-Flaechen als Rippen verlaengerte Element-Schenkel oder Kontakt-Stuecke der uebereinander gelagerten Saeulen ohne direkte Beruehrung in die Zwischenraeume ineinander gesteckt werden, wobei Saeulen , die zwischen zwei anderen liegen, Rippen nach beiden Seiten besitzen koennen.
18)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1) oder einem der folgenden Ansprueche zusaetzlich dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosaeule derart in einen Solar-Kollektor-Spiegel SP - beispielsweise in der Form eines Parabol-Spiegels - eingesetzt ist, dass die Heiss-Loetstellen oder nur ueber die Heiss-Loetstellen hinaus verlaengerte Rippen der Element-Schenkel oder Kontakt-Stuecke in der Brenn-Linie des Spiegels liegen, waehrend die Kalt-Loetstellen ausserhalb des Spiegels liegen.
19)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 18) dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungs-Kollektor statt eines Spiegels eine Linse SL verwendet wird, wobei die Heiss-Loetstellen oder Rippen durch eine Platte EP gesteckt sind.
2o)Th-ermselektrischer Generator in der Bauart als- Thermosaeule dadurch gekennzeichnet, dass die Etement-Schenkel (ll) und (12) sowie die Kontakt-Stuecke C131 und Isolier-Schichten (14) aus sehr duennen Platten bzw. Folien bestehen und gem. Fig. 8 schraeg versetzt uebereinander liegend angeordnet sind, so dass sie als Verbund-Einheit eine Matte bilden iit der Gesamt-Dicke d.
21)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 20) dadurch gekennzeichnet, dass die Folien aufeinander gespritzt werden, beispielsweise entsprechend Metall-Spritzverfahren.
22)Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 2Q) oder 21) dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontakt-Verbindung an den sog. Loetstellen durch Zusammenpressen oder vorzugsweise durch Elektro-Schweissen oder durch Kleben hergestellt wird.