DE4028403A1 - Generator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermoelektrischen Generator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche thermoelektrischen Generatoren finden dort eine Anwendung, wo Wärme unmittelbar in elektrische Energie umzusetzen ist. Die bisher bekannten thermoelektrischen Generatoren weisen zwei Räume auf, welche auf unter­ schiedlichen Temperaturniveaus gehalten sind. Die beiden Räume sind durch einen alkaliionenleitenden Festelektro­ lyten voneinander getrennt, durch den ein als Wärme­ transportmittel dienendes Alkalimetall hindurchwandert. Das Wärmetransportmittel wird von dem Raum mit einer Temperatur von 200 bis 350°C mittels einer Pumpe wieder in den Raum mit einer Temperatur von 800 bis 1000°C ge­ pumpt. Die hierfür erforderlichen Pumpen sind relativ groß und benötigten deshalb viel Energie. Ferner neigen sie, verursacht durch Ablagerungen oder Korrosionspro­ dukte, zur Verstopfung. Aus diesen Gründen kann nicht jeder thermoelektrische Generator mit einer Pumpe ausge­ stattet werden. Vielmehr erhalten mehrere zu einem Modul zusammengefaßte thermoelektrische Generatoren eine ge­ meinsame Pumpe. Die Mindestgröße eines jeden Moduls ist etwa 1 kW.

Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Tech­ nik die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Gene­ rator aufzuzeigen, bei dem die bekannten Nachteile sol­ cher Einrichtungen ausgeschlossen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die schwenkbare Halterung des thermoelektrischen Generators ist es auf einfache Weise möglich, die Posi­ tion des kälteren Raums mit der Position des wärmeren Raums in Bezug auf die Wärmequelle zu vertauschen. Hier­ durch entfällt ein Transport des Natriums aus dem kälte­ ren Raum in den wärmeren Raum. Eine Zirkulationsleitung sowie eine Pumpe mit den eingangs genannten Nachteilen entfallen. Der Wirkungsgrad der Einrichtung ist gegen­ über dem Wirkungsgrad der aus dem Stand der Technik be­ kannten Einrichtungen hierdurch nicht eingeschränkt. Durch die Anordnung von jeweils einer Elektrode auf den beiden Oberflächen des ionenleitenden Festelektrolyten ist eine Vertauschung der beiden auf unterschiedlichen Temperaturen gehaltenen Räume in bezug auf ihre Nähe zur Wärmequelle auf einfache Weise möglich. Weitere erfin­ dungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen thermoelektrischen Generator,

Fig. 2 den gleichen thermoelektrischen Generator in einer anderen Positionierung in bezug auf die Wärmequelle.

Fig. 1 zeigt einen thermoelektrischen Generator, dessen Kern durch eine Natriumkonzentrationszelle 2 gebildet wird. Die Natriumkonzentrationszelle 2 ist nach außen von einem zylinderförmigen Gehäuse 3 begrenzt, das aus einem korrosionsbeständigen Material, z. B. Cr-Ni-Stahl, gefertigt ist. Im Inneren des Gehäuses 3 ist ein alka­ liionenleitender Festelektrolyt 4 angeordnet. Er ist becherförmig ausgebildet. Seine Längsachse verläuft in einer Ebene mit der Längsachse des zylinderförmigen Ge­ häuses 3. Im Bereich seines offenen Endes ist der Festelektrolyt 4 mit einem nach außen gerichteten Flansch 4F versehen. Dieser ist so weit geführt, daß er bündig an die innere Wand des Gehäuses 3 anschließt. Der Festelektrolyt 4 teilt den Innenbereich des Gehäuses 3 in zwei dicht gegeneinander verschlossene Räume 5 und 6 auf. Der Festelektrolyt 4 weist auf seinen beiden Ober­ flächen jeweils eine elektrisch leitende Elektrode 7 und 8 auf. Die beiden Elektroden 7 und 8 sind aus einem po­ rösen Material gefertigt, das beispielsweise aus Molyb­ dän oder Titannitrid besteht. Die Elektroden sind etwa 1 µm dick. Sie werden gesputtert, so daß sie eine Poro­ sität von etwa 50% bezogen auf die theroretische Dichte des Werkstoffs aufweisen. Der verwendete Werkstoff weist vorzugsweise eine Korngröße kleiner/gleich 0,1 µm auf. Für die Ausbildung des Festelektrolyten 4 wird vorzugs­ weise eine Suspension aus einem pulverförmigen Betaalu­ miniumoxid gebildet, das eine Korngröße größer 5 µ auf­ weist. Auf die Oberflächen der beiden Elektroden 7 und 8 ist wenigstens bereichsweise ein dünnmaschiges Netz 9 aus Nickel oder Molybdän aufgebracht, das als Stromab­ leiter dient. Mit diesen Netzen 9 sind Stromabnehmer 10 und 11 elektrischleitend verbunden. Diese Stromabnehmer 10 und 11 sind isoliert durch das Gehäuse 3 hindurch nach außen geleitet. Die Stromabnehmer 10 und 11 stehen mit je einem Anschlußpol 12 bzw. 13 in lösbarem, elek­ trischem Kontakt. Die Wärme zum Betreiben des thermo­ elektrischen Generators 1 kommt beispielsweise von einem Parabolspiegel 14, von dem die von der Sonne kommende Strahlung gebündelt wird. Das Gehäuse 3 des thermoelek­ trischen Generators ist so angeordnet, daß wenigstens ein Ende 3E des Gehäuses 3 immer im Brennpunkt des Para­ bolspiegels 14 angeordnet ist. Bei der in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsform ist der Raum 5 dem Parabolspie­ gel 14 am nächsten angeordnet. Die durch den Parabol­ spiegel 14 gebündelte Strahlung wird auf das Ende 3E des Gehäuses 3 abgestrahlt und der Raum 5 auf eine Tempera­ tur zwischen 800 und 1000°C erwärmt. Das in den Raum 5 gefüllte Natrium 15 wird bei dieser Temperatur verflüs­ sigt bzw. teilweise auch verdampft. Das dampfförmige Natrium wandert durch die poröse Elektrode 8 bis zum Fe­ stelektrolyten 4. Die Natriumionen wandern durch den ionenleitenden Festelektrolyten 4 hindurch zur Elektrode 7, die in dem Raum 6 angeordnet ist. Der Raum 6 wird mit Hilfe eines Kondensators 16 auf einer Temperatur von 200 bis 350°C gehalten. Bei dieser Temperatur wird das dampfförmige Natrium wieder in flüssiges Natrium umge­ wandelt. Auf Grund des Temperaturunterschiedes, der zwi­ schen den Räumen 5 und 6 herrscht, bzw. verursacht durch den Unterschied im jeweiligen Natriumdampfdruck zwischen den beiden Räumen 5 und 6, wird eine elektrische Span­ nung zwischen dem Raum 5 und dem Raum 6 ausgebildet. Diese Spannung kann an den Anschlußpolen 12 und 13 abge­ griffen werden. Weist das Natrium in dem Raum 5 eine Temperatur von 1000°C auf und herrscht in diesem Raum 5 ein Druck von 0,3 MPa und beträgt der Natriumdampfdruck im Raum 3×2^-10 MPa, so beträgt die elektromotorische Kraft zwischen den beiden elektrischen Anschlußpolen 12 und 13 1,2 Volt. Unter Berücksichtigung der IR-Verluste ergibt sich zwischen den beiden Anschlußpolen 12 und 13 eine Spannung von 0,5 bis 0,8 Volt. Die erreichbare Stromdichte liegt zwischen 1 und 2 Ampere/cm². Das in dem Raum 5 verdampfte Natrium wandert solange in den Raum 6, bis eine definierte Menge an flüssigem Natrium in diesem Raum enthalten ist. Diese Menge kann mit Hilfe eines Füllstandsanzeigers (hier nicht dargestellt) er­ faßt werden. Ist in dem Raum 6 diese definierte Menge an flüssigem Natrium enthalten, so wird der thermoelektri­ sche Generator 1 um eine Achse 17 gedreht, die senkrecht zur Längsachse des Festelektrolyten 4 angeordnet ist. Hierdurch wird der Raum 6, in den bis zu diesem Zeit­ punkt das dampfförmige Natrium gewandert ist, in unmit­ telbbarer Nähe der Wärmequelle 14 angeordnet und von dieser auf eine Temperatur von 800 bis 1000°C erwärmt. Hierdurch wird nun das in dem Raum 6 enthaltene Natrium verdampft und wandert dann, wie in Fig. 2 dargestellt, in den Raum 5, der jetzt mit Hilfe des Kondensators 16 auf einer Temperatur von 200 bis 350°C gehalten wird. Die durch den Festelektrolyten 4 wandernden Natriumion werden jetzt von dem Raum 5 aufgenommen bis dort wieder­ um eine definierte Menge an Natrium enthalten ist. Ist die Zielmenge erreicht, so wird der thermoelektrische Generator wiederum um die Achse 17 gedreht, so daß die in Fig. 1 dargestellte Position wieder eingenommen wird.

Es besteht die Möglichkeit, das Drehen des thermoelek­ trischen Generators dadurch zu bewirken, daß der von der Wärmequelle 14 wegweisende Raum jeweils in eine insta­ bile Position gebracht wird. Hat sich in diesem Raum eine definierte Menge an Natrium angesammelt, so ver­ sucht dieser von der Wärmequelle 14 abgewandte Raum eine stabile Position einzunehmen, wodurch eine automatische Drehung des thermoelektrischen Generators 1 um die Achse 17 bewirkt wird.

Claims (6)

1. Thermoelektrischer Generator mit wenigstens zwei durch eine Wärmequelle (14) auf unterschiedlichen Tempe­ ratur gehaltenen Räumen (5 und 6), die durch einen alka­ liionenleitenden Festelektrolyten (4) voneinander ge­ trennt sind, sowie eine Elektrode (7, 8) und ein Wärme­ transportmittel (15), das von dem Raum (5, 6) mit höherer Temperatur in den Raum (5, 6) mit niedriger Temperatur wandert, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der beiden Räume (5, 6) in bezug auf die Nähe der Wärmequelle (14) vertauschbar ist.

2. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehachse (17) vorgese­ hen ist, mit der der thermoelektrische Generator (1) zur Positionierung der Räume (5, 6) in die Nähe der Wärme­ quelle (14) drehbar ist.

3. Thermoelektrischer Generator nach einem der An­ sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ther­ moelektrische Generator (1) von einem zylinderförmigen Gehäuse (3) begrenzt ist, in dem ein becherförmiger Festelektrolyt (4) mit einem nach außen weisenden Flansch (4F) symmetrisch angeordnet ist, derart, daß der Flansch (4F) bündig an die innere Fläche des Gehäuses (3) angrenzt, daß die Abmessungen des Festelektrolyten (4) so bemessen sind, daß das Gehäuse (3) in zwei gleichgroße Räume (5 und 6) aufgeteilt ist, und daß durch den Festelektrolyten (4) und den Flansch 4F ein dichter Abschluß zwischen den beiden Räumen (5 und 6) gebildet ist.

4. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Oberflächen des Festelektrolyten (4) jeweils eine Elektrode (7, 8) angeordnet ist, die aus Wolfram, Molybdän, Rhodium-Wolf­ ram oder Titannitrid mit einer Porosität von 50% bezogen auf die theoretische Dichte des Werkstoffs mit einer Dicke von 1 µm aufgetragen ist, und daß auf den Elektro­ den (7 und 8) ein als Stromableiter dienendes Netz (9) aus Nickel oder Molybdän dauerhaft angeordnet ist.

5. Thermoelektrischer Generator nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Netze (9) mit elektrischen Anschlußelementen (10 und 11) ver­ bunden sind, die isoliert aus dem Gehäuse (3) herausge­ führt sind, und an elektrische Anschlußpole (12 und 13) anschließbar sind.

6. Thermoelektrischer Generator nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (17) senkrecht zur Längsachse des Festelektro­ lyten angeordnet ist, und daß zur Kühlung eines jeden Raums (5, 6) ein Kondensator (16) vorgesehen ist.