DE4301872A1

DE4301872A1 - Demonstrationsanlage für eine Hochtechnologie-Elektroenergie-Erzeugung aus Verbrennungswärme

Info

Publication number: DE4301872A1
Application number: DE4301872A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Phys Kuehne; Rainer Dipl Ing Kolb
Original assignee: VEAG Vereinigte Energiewerke AG
Current assignee: VEAG Vereinigte Energiewerke AG
Priority date: 1993-01-13
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1994-07-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Demonstrationsanlage für eine Hochtechnologie-Elektroenergie-Erzeugung aus Verbrennungs wärme.

Die Erzeugung von elektrischer Energie erfolgt heute in modernen kohle-, gas- oder ölgefeuerten Kraftwerken sowie Kernkraftwerken anschließend nach dem Prinzip der Wärmeerzeugung - Wärmeumwandlung (Wasser/Dampf - Dampf/ Rotationsarbeit - Mechanische Arbeit/elektrische Arbeit) in einem gekoppelten System Turbine/Generator bei Wirkungsgraden von 30-40% (modernste Anlagen bis 50%).

Eine direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie ist großtechnisch noch im Versuchsstadium und wird vorzugsweise mittels Sonnenkollektoren/Solarzellen für die Nutzung der Sonnenenergie mit hohem finanziellen und technischen Aufwand, aber viel größeren Wirkungsgraden, realisiert.

Eine weitere Möglichkeit der direkten Umwandlung von Wärmeenergie in Elektroenergie zur Nutzung von Verbrennungswärme ist durch Peltierelemente möglich. Eine großtechnische Anwendung ist noch nicht realisiert, obwohl eine Vielzahl von speziellen Anwendungsfällen für Kleinverbraucher möglich sind (DE-OS 15 39 270, DE-OS 15 13 040, 37 35 410, 38 32 861).

Eine Demonstrationsanlage für den Aufbau und die Wirkungen einer Hochtechnologie-Elektroenergie-Erzeugung aus Verbrennungswärme unter Verwendung von Peltierelementen ist noch nicht bekannt, obwohl gerade die Technik schon mehr als ein Jahrhundert im Modell nachgebildet und als Anschauungs- und Lehrobjekte mit großen Erfolgen interessierten Personenkreisen nahegebracht werden konnte.

Klassische Beispiele dafür sind Modelle für Dampfmaschinen und Wasserturbinen, aber auch für Modelleisenbahnen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Demonstrationsanlage für den Aufbau und die Wirkungen einer Hochtechnologie-Elektroenergie-Erzeugung aus Verbrennungs wärme unter Verwendung von Peltierelementen zu entwickeln, um das Zeitalter der Hochtechnologie auf dem Gebiet der Elektroenergieerzeugung vorzubereiten.

Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß eine kompakte einen Stromabnehmer aufweisende Peltierelementen- Anordnung vorgesehen ist, an deren Unterseite ein mit einem Abgasrohr versehener kompakter Brenner-Brennstoff-Behälter und an deren Oberseite ein mit Zu- und Abfluß versehener kompakter Kühlwasser-Behälter angeordnet ist, wobei die Peltierelementen-Anordnung als einfache oder mehrfache Stufe entsprechend dem Einsatzfall erfolgt.

Demonstrationsanlagen sind erfindungsgemäß für eine Modelleisenbahnanlage und für eine Alternativ-Elektroener gie-Erzeugungsanlage ausgelegt.

An Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 - Das Prinzipbild der Elektroenergie-Erzeugung aus Verbrennungswärme.

Fig. 2 - Das erweiterte Prinzipbild der Elektroenergie- Erzeugung als offenes System.

Fig. 3 - Das Prinzipbild für ein geschlossenes System.

Fig. 4 - Die Anwendung für eine Modelleisenbahnanlage.

Fig. 5 - Die Anwendung für eine Alternativ-Elektroenergie- Erzeugungsanlage.

Die kompakte Peltierelementen-Anordnung 1 weist auf der Unterseite 9 den Brennstoffbehälter 2 mit den Brennern 2.1 . . . 2.n auf (Fig. 1).

Auf der Oberseite 10 ist der Wasser-Durchfluß-Behälter 3 mit Zufluß 11 und Abfluß 12 fixiert.

Der Abfluß 12. ist über die Wasserumlaufpumpe 5 mit dem Kühlrippen 4.1 aufweisenden Kühler 4 und dieser mit dem Zufluß 11 verbunden.

Der Brennstoffbehälter 2 weist das Abgasrohr 7.1 auf und ist in den Schornstein 7 eingebunden.

Die Peltierelementen-Anordnung 13 weist den Stromabnehmer 6 für den Anschluß von Verbrauchern und des Spannungsmessers 8 auf.

Ein Teil der erzeugten Energie 6.1 wird zum Antrieb der Pumpe 5 verwendet.

Die Wirkungsweise ist folgende:

Durch die Zuführung der Frischluft 13 und der Verbrennungswärme 13.1 mittels der Brenner 2.1 . . . 2.n an die Unterseite 9 und die Kühlung der Oberseite 10 mit Umlaufwasser 14 wird im Peltierelement 1 eine Spannung erzeugt, die am Stromabnehmer 6 zur Verfügung steht. Die Höhe der Spannung bzw. deren Stromstärke wird durch die Anzahl und/oder die Schaltung (Parallel- und/oder Reihenschaltung) der Einzel-Peltierelemente innerhalb der Anordnung 1 bestimmt.

Die Brenner 2.1 . . . 2.n werden mit Öl, Gas oder Feststoffen betrieben.

Die Abgase 15 werden über das Abgasrohr 7.1 in den Schornstein 7 geleitet, wobei der Schornstein 7 als Miniatur-Schornstein ausgebildet ist.

Der Kühler 4 ist als Hochbehälter oder als offenes System, z. B. in Form eines Springbrunnens oder eines Kühlturms, ausgebildet.

Die Demonstrationsanlage (Fig. 1) ist für eine Vielzahl von Anwendungsfällen z. B. im Haushalt (elektrische Geräte aller Art), für das Hobby (Modellfahrzeuge), für den Betrieb (Meß-, Steuer- und Regelaufgaben), für Labors (Versuchsdurchführungen, Applikationen) oder für die Lehre (Demonstrationsanlagen, Versuchsdurchführungen, Applikatio nen) geeignet.

Die Demonstrationsanlage (Fig. 2) weist die Anordnung nach Fig. 1 auf und ist wie folgt ergänzt:

In den Brennstoffbehälter 2 ist die Kaltluftleitung 15 mit Gebläse 16 eingebunden. Die Kaltluftleitung 15 ist mit der Unterseite 17 der den Stromabnehmer 25 aufweisenden kompak ten Peltierelementen-Anordnung 18 verbunden, während die Oberseite 19 mit dem Kühlwasser-Behälter 24 verbunden ist. Der Kühlwasser-Behälter 24 ist mit dem Abfluß 12 einerseits und der Umlaufwasserpumpe 5 andererseits verbunden.

Das Abgasrohr 7.1 ist mit der Oberseite 21 der den Stromabnehmer 26 aufweisenden Peltierelementen-Anordnung 22 verbunden, während die Unterseite 23 mit der Umgebungsluft kontaktiert. Danach ist das Abgasrohr 7.1 wiederum in den Schornstein 7 eingebunden.

Während der Stromabnehmer 6 zur Energieversorgung eines Verbrauchers vorgesehen ist, ist der Stromabnehmer 25 für die Energieversorgung der Wasserumlaufpumpe 5 und der Stromabnehmer 26 für die Energieversorgung des Gebläses 16 vorgesehen.

Die Wirkungsweise ist folgende:

Die Peltierelementen-Anordnung arbeitet nach der bereits beschriebenen Wirkungsweise (Fig. 1) als aktiver Elektro energieerzeuger, wobei an der Unterseite 9 durch die Verbrennungswärme 13.1 eine Temperatur von 300 °C entbunden und an der Oberseite 10 das eintretende Kühlwasser 14 von 20°C auf 80°C erwärmt wird. Die Peltierelementen-Anord nung 18 wirkt als Regelstufe für die Intensivierung der Wasserkühlung, indem bei höherer Austrittstemperatur des Kühlwassers 14 die Wasserumlaufpumpe 5 eine größere Umlaufmenge transportiert. Die Unterseite 17 wird dabei von der mit einer Temperatur von 20°C eintretenden Kaltluft 27 beaufschlagt, die gleichzeitig als vorgewärmte Verbrennungsluft 13.2 mit einer Temperatur von 40 °C für die Brenner 2.1 . . . 2.n wirkt. Die Oberseite 19 wird vom mit 80 °C eintretenden Kühlwasser 14 beaufschlagt, während danach das Kühlwasser mit einer Temperatur von 50 °C zum Kühler 4 geführt wird.

Die Peltierelementen-Anordnung 22 wirkt als Sekundär-Regelstufe für die Regelung des Gebläses 16, indem bei höherem Energiebedarf eines Verbrauchers die Verbrennungsluftmenge erhöht wird.

Die Oberseite 21 wird dabei von dem mit einer Temperatur von 200 °C eintretenden Abgas 15 und die Unterseite 23 von der 20 °C aufweisenden Umgebungsluft beaufschlagt.

Diese Demonstrationsanlage ist ohne weiteres auf ein modernes Kraftwerk zu übertragen, indem die Peltierelementen-Anordnung 1 als Kesselhaus mit moderner Feuerung, die Peltierelementen-Anordnung 18 als Wärmetauscher-Anordnung und die Peltierelementen-Anordnung 22 als imitierter Transformator sowie der Kühler 4 als Kühlanlage fungiert.

Die Demonstrationsanlage (Fig. 3) stellt eine Kompaktlösung in geschlossener Ausführung für die Teile 1; 2; 3 nach Fig. 1 dar und weist das Gehäuse 28 auf, das den als Feuerkiste 29 mit Brennstofftrog 30 und Verbrennungsluftöffnung 31 ausgebildeten Brennstoffbehälter 2 aufnimmt.

Im Gehäuse 28 ist die Peltierelementen-Anordnung 1 fixiert und über die auf der Unterseite 9 angeordnete Wärmeleit- und Schutzplatte 32 gegenüber der Feuerkiste 29 geschützt. Unmittelbar auf die Oberseite 10 ist der als geschlossenes System ausgebildete Wasserdurchflußbehälter 3 angeordnet, der den Zufluß 11 und den Abfluß 12 aufweist und mit destilliertem Wasser betrieben wird.

Die Peltierelementen-Anordnung 1 stellt eine über Stromverbraucher 33 verbundene Reihenschaltung von Einzelelementen 34 dar und weist den Stromabnehmer 6 auf. Auf der Oberfläche 35 des Wasserdurchflußbehälters 3 ist mit der Unterseite 17 die Peltierelementen-Anordnung 18 angeordnet. Die Oberseite 20 ist mit den Kühlrippen 36 versehen und mit der Umgebungsluft kontaktiert.

Die Stromabnehmer 37 aus der Peltierelementen-Anordnung 18 dienen einer Sekundärstromversorgung oder sie kann in Kombination mit den Einzelelementen 34 wirken.

Die Wirkungsweise entspricht der nach Fig. 1 und 2 beschriebenen Wirkungsweise.

Die Anwendung dieser Demonstrationsanlage entspricht den vorher beschriebenen Möglichkeiten.

Die Verknüpfung von unterschiedlichen Demonstrationsanlagen (Fig. 4), nämlich der einer Modelleisenbahnanlage und der eines Kraftwerkes, stellt eine besonders wirkungsvolle Anwendung dar.

Im Betriebswerk 37.1 der Modellbahnanlage sind ein oder mehrere Peltierelementen-Anordnungen 1; 18; 22 zur Erzeugung von Energie für den Betrieb der Modellbahnanlage und der Umwälzpumpe 5 angeordnet.

Das Betriebswerk 37.1 weist den Stromabnehmer 6 auf, der mit der Freileitung 38 verbunden ist. Die Freileitung 38 wird vom Mast 39 aufgenommen, der die Energieabführung imitiert.

Die nutzbare Energieabführung 6.1 ist mit den Fahrstromreglern der Modellbahnanlage verbunden.

Die Wirkungsweise entspricht der nach Fig. 1 bis 3 beschriebenen Wirkungsweise.

Die Demonstrationsanlage für eine unabhängige Stromerzeugung in der freien Natur (Fig. 5) weist die kompakte Peltierelementen-Anordnung 1 nach Fig. 1 auf.

Als Brennstoff dient Gas aus dem Propangasbehälter 40 oder der Biogasquelle 41. Über den Stromabnehmer 6 ist z. B. ein Fernsehgerät 42 betreibbar.

Durch die Erfindung werden im Vergleich zur konventionellen Energieversorgung folgende Vorteile erreicht:

1. Neue Technologie durch dampflose Stromerzeugung bezogen auf die verwendeten Brennstoffe.
2. Einsparung eines Kreisprozesses (Wasser-Dampfentwicklung und Dampfentspannung).
3. Wegfall hoher Wirkungsgradverluste am Kreisprozeßende (Kondensationswärmeverluste), z. B. in der Dampfmaschine bei Entspannung auf atmosphärischen Druck.
4. Wegfall der Reibungsverluste durch erforderliche Stofftransporte des Arbeitsmediums (Wasser-Dampf).
5. Entfall der wesentlichen Baugruppen des Kreisprozesses Dampferzeuger, Turbine, Generator.
6. Konzentration der Verbrennung und Stromerzeugung auf klein stem Raum.
7. Umweltfreundlicher Betrieb.
8. Einsatz beliebiger fester, flüssiger und gasförmiger Brennstoffe, wie z. B. Biogas.
9. Flexible Größe und Standortwahl der Aggregate möglich.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Peltierelementen-Anordnung
2 Behälter
2.1 . . . 2.n Brenner
3 Behälter
4 Kühler
4.1 Kühlrippe
5 Wasserumlaufpumpe
6 Stromabnehmer
6.1 Energiemenge
7 Schornstein
7.1 Abgasrohr
8 Spannungsmesser
9 Unterseite
10 Oberseite
11 Zufluß
12 Abfluß
13 Frischluft
13.1 Verbrennungswärme
13.2 Verbrennungsluft
14 Umlaufwasser (Kühlwasser)
15 Kaltluftleitung
16 Gebläse
17 Unterseite
18 Peltierelementen-Anordnung
19 Oberseite
20 Oberseite
21 Oberseite
22 Peltierelementen-Anordnung
23 Unterseite
24 Kühlwasser-Behälter
25 Stromabnehmer
26 Stromabnehmer
27 Kaltluft
28 Gehäuse
29 Feuerkiste
30 Brennstofftrog
31 Verbrennungsluftöffnung
32 Wärmeleit- und Schutzplatte
33 Stromverbraucher
34 Einzelelemente
35 Oberfläche
36 Kühlrippe
37 Stromabnehmer
37.1 Betriebswerk
38 Freileitung
39 Mast
40 Propangasbehälter
41 Biogasquelle
42 Fernsehgerät

Claims

1. Demonstrationsanlage für eine Hochtechnologie-Elektro energie-Erzeugung aus Verbrennungswärme, dadurch gekennzeichnet, daß eine kompakte einen Stromabnehmer aufweisende Peltierelementen-Anordnung vorgesehen ist, an deren Unter seite ein mit einem Abgasrohr versehener kompakter Brenner-Brennstoff-Behälter und an deren Oberseite ein mit Zu- und Abfluß versehener kompakter Kühlwasser-Behälter angeordnet ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner-Brennstoff-Behälter als Feuerkiste mit Brennstofftrog und Luftöffnung ausgebildet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner-Brennstoff-Behälter als Brennstofftank mit Brenneranordnung ausgebildet ist.

4. Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr in einen Schornstein eingebunden ist.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zu- und Abfluß des Kühlwasser-Behälters in einen von einer Umlaufpumpe beaufschlagten Kühler eingebunden ist.

6. Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner-Brennstoff-Behälter mit einem ein Gebläse aufweisendes Kaltluftrohr verbunden ist und an der Unterseite einer zweiten kompakten Peltierelementen-Anord nung geführt ist.

7. Anlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfluß mit der Oberseite der zweiten Peltierelementen-Anordnung verbunden ist.

8. Anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr an der Oberseite einer dritten kompakten Peltierelementen-Anordnung geführt ist, deren Unterseite mit der Umgebungsluft kontaktiert.

9. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche einer vierten kompakten Peltierelementen-Anord nung verbunden ist, deren Oberseite mit der Umgebungsluft kontaktiert.

10. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler mit Kühlrippen versehen ist.

11. Anlage nach Anspruch 1 bis 10 zur Verwendung für eine Modelleisenbahnanlage, dadurch gekennzeichnet, daß der kompakte Brenner-Brennstoff-Behälter und der Kühlwasserbehälter in einem Betriebswerk mit Schornstein angeordnet, der Zu- und Abfluß über die Umlaufpumpe in einem Wasserturm eingebunden und die Stromabnahme über eine Freileitung und einen mit Energieabführung versehenen Freileitungsmast mit einem Fahrstromregler der Bahnanlage verbunden ist.

12. Anlage nach Anspruch 1 bis 10 zur Verwendung für eine Alternativ-Elektroenergieerzeugungsanlage, dadurch gekenn zeichnet, daß der kompakte Brenner-Brennstoff-Behälter mit einer Gasquelle, z. B. ein Propangasbehälter oder eine Biogasquelle, verbunden ist.