EP3231018A2 - Vorrichtung zur direkten und reversiblen umwandlung thermischer energie in elektrische energie - Google Patents

Vorrichtung zur direkten und reversiblen umwandlung thermischer energie in elektrische energie

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EP3231018A2
EP3231018A2 EP15808618.1A EP15808618A EP3231018A2 EP 3231018 A2 EP3231018 A2 EP 3231018A2 EP 15808618 A EP15808618 A EP 15808618A EP 3231018 A2 EP3231018 A2 EP 3231018A2
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EP
European Patent Office
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threads
mesh fabric
warp threads
weft
weft threads
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15808618.1A
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English (en)
French (fr)
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Schmid Helmut
Koleczko ANDREAS
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00—Inorganic fibres
    • D10B2101/20—Metallic fibres

Definitions

  • the present invention relates to a device for the direct and reversible conversion of thermal energy into electrical energy.
  • the device contains an electrically conductive mesh fabric, which is at least partially provided with an electrical insulation coating.
  • the mesh fabric contains at least one thermoelectric system, by means of which, when a temperature gradient exists within the device, a voltage gradient and thus a detectable potential difference are produced. in the
  • the electrical conductivity is based on the "mobility" of the electron gas in the conduction band above the valence band.
  • the extent of this mobility is metal-specific and depends on the energy levels and the occupation of electrons or occupation density.
  • the electrical conductivity is not based on an electron transport, but on an electron impulse transport. This results in every transport of thermal energy being coupled with electron impulse transport. Electric energy, however, can only be tapped in the form of a potential difference. Therefore, the degree of this coupling must also be taken into account for the solution (electron-phonon interaction).
  • the direct reversible energy conversion is possible with the help of the known Thermo elements.
  • such elements can also be used for temperature measurement.
  • When reversing the direction of the energy conversion one speaks of Peltier elements.
  • thermoelectric effect According to the state of the art, different metallic conductors or semiconductors are combined with one another to display the thermoelectric effect.
  • a disadvantage is that such simple configurations are economically applicable only for smaller systems, which in turn the Abso limited amount of recoverable electrical energy.
  • the invention thus provides a device for the direct and reversible conversion of thermal energy into electrical energy.
  • the device contains an electrically conductive mesh fabric, which is at least partially provided with an electrical insulation coating.
  • the mesh fabric contains at least one thermoelectric system, by means of which, when a temperature gradient exists within the device, a voltage gradient and thus a detectable potential difference are produced.
  • the mesh fabric comprises mutually unconnected weft threads and interwoven with the unconnected weft threads warp threads.
  • the device according to the invention can be integrated into facades of buildings, whereby a correspondingly large reaction zone can be provided by the large surface area of such facades.
  • a temperature gradient is created, creating a
  • thermoelectric effect can be maximized in this case, ie the tapped voltage is maximum.
  • thermoelectric system At least a part of the weft threads and / or at least part of the warp threads in pairs two weft threads with each other or two warp threads with each other form a thermoelectric system.
  • thermoelectric system consists of the weft threads and / or warp threads themselves or is formed therefrom.
  • thermoelectric system consists of the weft threads themselves.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that at least one thermoelectric system contains two metallic conductors which have different linear thermal resistance coefficients from each other in the temperature range from -50 ° C to 75 ° C.
  • the difference between the linear thermal resistance coefficients of the two metallic conductors in the temperature range from -50 ° C. to 75 ° C. is preferably at least 1.0 ⁇ 10 -3 1 / K, particularly preferably at least 1.5 ⁇ 10 -3 1 / K, most preferably at least 1.7 x 10 -3 l / K.
  • metal combinations in which the specific resistance increases with increasing temperature with alloys in which a constant temperature behavior is present (for example, constantan).
  • the mesh fabric has weft threads and warp threads, and of at least a portion of the weft threads and warp threads in pairs, in particular two, in particular two adjacent weft threads or Warp threads form a thermoelectric system, wherein one of the two adjacent weft threads or warp threads contains one of the two metallic conductors and the other of the two adjacent weft threads or warp threads contains the other of the two metallic conductors.
  • An exemplary embodiment provides that in each case alternately trained weft threads made of iron or alternately copper are formed. These wefts are with warp threads, e.g. made of steel, interwoven. The weft threads in this case have an electrically insulating insulation, e.g. a paint job on. Falling voltage can be tapped serially or parallel connected at the respective ends of the weft threads.
  • thermoelectric system is formed by each two adjacent weft threads are formed alternately of different metals with different linear thermal resistance coefficients.
  • the warp threads can also be formed from electrically conductive materials, but also from insulating materials.
  • the weft threads are made continuous with an electrically insulating coating, e.g. an electrically insulating paint coated. This electrically insulating coating may alternatively or additionally be attached to the warp threads.
  • each thermoelectric system contains the same two metallic conductors and / or the two metallic conductors are selected from the group consisting of iron, copper, aluminum, nickel and alloys and mixtures thereof.
  • thermoelectric system contains at least one thermoelectric and / or pyroelectric mineral.
  • a preferred mineral here is jarusite (potassium-iron-hydroxy) Sulfate). This has intermediate levels of potential energy in the crystal lattice that can be reclassified collectively. This creates a voltage gradient from an existing temperature gradient.
  • thermoelectric system comprising at least one thermoelectric and / or pyroelectric mineral may be present as an alternative or in addition to the above-mentioned thermoelectric system formed by the weft and / or warp threads.
  • thermoelectric system comprising at least one thermoelectric and / or pyroelectric mineral is present in the device in addition to the above-mentioned thermoelectric system formed by the weft and / or warp threads.
  • thermoelectric systems In the presence of two different thermoelectric systems different temperature differences can be better utilized.
  • thermoelectric and / or
  • pyroelectric mineral contained in preferably electrically non-conductive, insulated tubes, preferably non-electrically conductive plastic cylinders, which are inserted into the mesh fabric, wherein the tubes are preferably inserted as weft threads and / or warp threads in the mesh fabric.
  • thermoelectric system contains at least one loop or loop reactor, wherein each loop or loop reactor is integrated in a metal tube, which is preferably inserted as weft and / or warp thread in the mesh fabric ,
  • thermoelectric system can be additive or alternative to the aforementioned thermoelectric system, which is formed by the weft and / or warp threads, but also to the thermoelectric and / or pyroelectric mineral containing thermoelectric system may be present. Particularly preferably, the circulation or loop reactor is present in addition to the thermoelectric system formed by the weft and / or warp threads.
  • the metal tubes can cover both the side facing the temperature gradient causing radiation source (eg sun) and the side facing away from the radiation source.
  • the loop or loop reactor be a redox-flow system in which an electrolyte intrinsic (i.e., automatic) circulation occurs due to the temperature differential, the redox flow system preferably being a vanadium redox accumulator.
  • the normally necessary pump energy to generate the circulation is eliminated, since the circulation is caused by the temperature gradient and thus intrinsic. The efficiency can thus be increased significantly.
  • Redox flow systems can be varied in terms of power density through system design in a wide range and can be used as a reversible storage of electrical energy. Owing to the broad oxidation number, electrolytes based on vanadium oxy sulfates are proposed. (V0 2 ) + sulfate with vanadium in the oxidation state + V is converted in the discharge process to (VO) 2+ sulfate with vanadium in the oxidation state + IV and gives under electron uptake a hypothetical O 2 " , which under H + Uptake to H 2 O. Vanadium sulfate with vanadium in the oxidation state +11 reacts with discharge of electrons to give vanadium in the oxidation state +111.
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the electrically conductive mesh fabric is provided at one edge with an IR-absorbing coating and at one edge opposite an edge with an IR-reflective coating.
  • an improved heat coupling or removal can be made possible or the dynamics of the process can be increased. As a result, this leads to an increase in the temperature gradient.
  • the IR-absorbing coating and / or the IR-reflecting coating is preferably a thermochromic leuco
  • the device according to the invention contains at least two mutually different thermoelectric systems.
  • the device according to the invention can thus contain two different, three different or four different thermoelectric systems.
  • such a device contains at least one thermoelectric system which contains two metallic conductors which have different linear thermal resistance coefficients from one another in the temperature range from -50 ° C. to 75 ° C., and at least one further thermoelectric system which comprises at least one thermoelectric and / or pyroelectric Contains mineral.
  • the mesh fabric comprises weft yarns and warp yarns, wherein the smallest included angle between each warp yarn and a weft yarn is preferably 30 ° to 90 °, more preferably 45 ° to 90 °, most preferably 60 ° to 90 °, especially equal 90 °, is.
  • the device according to the invention is combined with a heat pump.
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the device is at least partially integrated into the facade or the cladding of a building or building.
  • the facade is a metal facade.
  • the building is preferably a house.
  • the device should be integrated so that the highest possible temperature gradient is achieved within the device.
  • the device according to the invention is at least partially integrated into the façade or cladding of two fronts of the building or building which are adjacent to one another at an angle of 60 ° to 120 °, preferably 80 ° to 100 °, wherein preferably one front in the Essentially to the east and the second front essentially to southern is aligned.
  • the system can also be mounted on roof surfaces. In this way, a very high temperature gradient can be achieved by the solar irradiation on average over time.
  • the present invention also relates to a method for the direct and reversible conversion of thermal energy into electrical energy, wherein within a device according to the invention, first a temperature gradient, preferably caused by solar radiation, is caused and then the resulting potential difference is tapped.
  • the present invention also relates to the use of the device according to the invention for energy storage, for the direct drive of electrical equipment, for temperature control and / or as an integral part of a facade or cladding of a building or building.
  • the facade is a metal facade.
  • the building is preferably a house.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention with an electrically conductive mesh fabric (8), which is provided at least in regions with an electrical insulation coating.
  • the mesh fabric has weft threads and warp threads. Schematically, two weft threads shown lifted out illustrate how two adjacent weft threads form a thermoelectric system.
  • the thermoelectric system contains the two metallic conductors copper and iron, one of the two adjacent weft threads (1) containing iron and the other (2) of the two adjacent weft threads containing copper.
  • Solar radiation (3) from the left leads to a temperature gradient (4) within the device. Due to the different linear thermal resistance coefficients of copper (2) and iron (1), this results in a voltage gradient (5) which can be tapped in the form of a potential difference at the end between each pair of weft threads.
  • FIG. 2 shows an expanded embodiment of that shown in FIG Contraption.
  • a pyroelectric minerals (6) filled tube (7) is incorporated into the fabric (8).
  • This tube forms an additional to the formed by the weft threads thermoelectric system, which is also integrated into the mesh fabric.
  • FIG. 3 shows a possible thermoelectric system (14) which may be integrated in the device according to the invention.
  • This contains a vanadium redox accumulator.
  • (V0 2 ) + sulfate with vanadium in the oxidation state + V (15) is converted in the discharge process to (VO) 2+ sulfate with vanadium in the oxidation state + IV and gives under electron uptake a hypothetical O 2 " , the reacting with H + up to H 2 O.
  • Vanadium sulfate with vanadium in the oxidation state +11 (16) reacts with discharge of electrons to give vanadium in the oxidation state +111 during the discharge process.
  • electrical system can be integrated into the mesh fabric according to the invention.
  • FIG. 4 shows an electrically conductive mesh fabric (8), which is provided with an IR-absorbing (12) coating in the region of an edge and with an IR-reflecting (13) coating in the region of an edge opposite one edge.
  • IR-absorbing (12) coating in the region of an edge
  • IR-reflecting (13) coating in the region of an edge opposite one edge.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the placement of a wire mesh (8) along the east (9) and south façade (10) in a house (11) which is ideally aligned with respect to the direction of the sky in order to optimize the temperature difference as a function of the position of the sun or the daily relative movement of the sun ,
  • a wire mesh (8) along the east (9) and south façade (10) in a house (11) which is ideally aligned with respect to the direction of the sky in order to optimize the temperature difference as a function of the position of the sun or the daily relative movement of the sun .

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten und reversiblen Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Die Vorrichtung enthält ein elektrisch leitfähiges Gittergewebe, welches zumindest bereichsweise mit einer elektrischen Isolationsbeschichtung versehen ist. Das Gittergewebe enthält dabei mindestens ein thermoelektrisches System, durch welches bei Vorliegen eines Temperaturgradienten innerhalb der Vorrichtung ein Spannungsgradient und somit eine abgreifbare Potentialdifferenz entsteht. Im Weiteren werden ein Verfahren zur direkten und reversiblen Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie sowie Verwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Vorrichtung angegeben.

Description

Vorrichtung zur direkten und reversiblen Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten und reversib- len Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Die Vorrichtung enthält ein elektrisch leitfähiges Gittergewebe, welches zumindest bereichsweise mit einer elektrischen Isolationsbeschichtung versehen ist. Das Gittergewebe enthält dabei mindestens ein thermoelektrisches System, durch welches bei Vorliegen eines Temperaturgradienten innerhalb der Vorrichtung ein Spannungsgradient und somit eine abgreifbare Potentialdifferenz entsteht. Im
Weiteren werden ein Verfahren zur direkten und reversiblen Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie sowie Verwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Vorrichtung angegeben.
Bei Metallen beruht die elektrische Leitfähigkeit auf der„Beweglichkeit" des Elektronengases im Leitungsband oberhalb des Valenzbands. Das Ausmaß dieser Beweglichkeit ist metallspezifisch und hängt von den Energieniveaus und der Elektronen-Besetzung bzw. Besetzungsdichte ab. Die elektrische Leitfähigkeit beruht dabei nicht auf einem Elektronen-Transport, sondern auf einem Elektronenimpuls-Transport. Dies führt dazu, dass jeder Transport thermischer Energie mit einem Elektronenimpuls-Transport gekoppelt ist. Elektri- sehe Energie kann allerdings nur in Form einer Potenzial-Differenz abgegriffen werden kann. Zur Lösung muss deshalb zusätzlich der Grad dieser Kopplung berücksichtigt werden (Elektron-Phonon-Wechselwirkung).
Üblicherweise führt die Erhöhung der thermischen Energie zu einer Erhöhung der Elektronenbeweglichkeit. Dies gilt für metallische Leiter, lonenleiter und
Halbleiter. Bei metallischen Leitern wird bei Temperaturerhöhung die Ge- samtelektronenbeweglichkeit allerdings im Arbeitstemperaturbereich (-50 bis 75 °C) durch die zunehmenden Gitterschwingungen (Energiequantelung in Form von Phononen) der Atomrümpfe reduziert (Elektron-Phonon- Wechselwirkung), während bei Halbleitern durch Anregung die Besetzungsdichte des Leitungsbands zunimmt. Zur Beschreibung der Phänomene können z.B. die Elektron/Phonon-Theorie, das Fermi-Modell oder das Debye-Modell herangezogen werden. Die Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie - oder als Zwischenstufe - die Konversion in mechanische Energie wird üblicherweise in Wärmekraftmaschinen vollzogen. Dies begann historisch mit Dampfmaschinen. Später wurde die chemische Reaktionsenthalpie von Erdgas und Erdölprodukten in Verbrennungsmotoren und Turbinen zur Umwandlung in me- chanische Energie genutzt. Hierbei handelt es sich um irreversible Prozesse, die mit einer Entropie-Erhöhung verbunden sind.
Die direkte reversible Energieumwandlung ist mit Hilfe der bekannten Ther- mo-Elemente möglich. Ergänzend können solche Elemente auch zur Tempera- turmessung herangezogen werden. Bei Richtungsumkehr der Energieumwandlung spricht man von Peltier-Elementen.
Nach dem Stand der Technik werden zur Darstellung des thermoelektrischen Effekts unterschiedliche metallische Leiter oder Halbleiter miteinander kom- biniert. Nachteilig ist dabei, dass derartige einfache Konfigurationen wirtschaftlich nur für kleinere Systeme anwendbar sind, was wiederum die Abso- lut-Menge der gewinnbaren elektrischen Energie begrenzt.
Ausgehend hiervon war es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine einfache Vorrichtung zur direkten und reversiblen Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie anzugeben, die wirtschaftlich auch für große
Systeme anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Vorrichtung mit den Merkmalen des vorliegenden Patentanspruches 1 sowie gemäß dem Verfahren mit den Merkmalen des vorliegenden Patentanspruches 18 gelöst. Patentanspruch 19 gibt Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung an. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung zur direkten und reversiblen Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie angegeben. Die Vorrichtung enthält ein elektrisch leitfähiges Gittergewebe, welches zumindest bereichsweise mit einer elektrischen Isolationsbeschichtung versehen ist. Das Gittergewebe enthält dabei mindestens ein thermoelektrisches System, durch welches bei Vorliegen eines Temperaturgradienten innerhalb der Vorrichtung ein Spannungsgradient und somit eine abgreifbare Potentialdifferenz entsteht. Das Gittergewebe umfasst dabei untereinander unverbundene Schussfäden und mit den unverbundenen Schussfäden verwobenen Kettfäden.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine direkte und reversible Umwandung thermischer Energie in elektrische Energie auch für große Systeme anzuwenden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in Fassaden von Gebäuden integriert werden, wobei durch die große Fläche derartiger Fassaden eine entsprechend große Reaktionszone bereitgestellt werden kann. Durch unterschiedlich starke Sonneneinstrahlung an verschiedenen Enden der Vorrichtung wird ein Temperaturgradient geschaffen, wodurch ein
Spannungsgradient innerhalb der Vorrichtung entsteht. Dieser Spannungsgradient kann schließlich in Form einer Potentialdifferenz abgegriffen werden. Die Gebäudefassaden können so mit einer wünschenswerten Mehrfunktionalität ausgestattet werden. Die Umkehrung der Effekte kann schließlich auch zum Wärme-Management der Gebäude genutzt werden. Die Schussfäden dabei untereinander unverbunden, d.h. weisen keine mechanischen oder stoffschlüssigen Verbindungstellen, wie. z.B. Schweißpunkte auf. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schussfäden und Kettfäden durchgängig und ununterbrochen ausgebildet sind. Diese Ausführungsform erlaubt eine äußerst einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zudem kann der thermoelektrische Effekt, für den Fall, dass das thermoelektrische System aus den Schuss- und/oder Kettfäden gebildet ist, in diesem Fall maxi- miert werden, d.h. die abgreifbare Spannung ist maximal.
Gemäß einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass von zumindest einem Teil der Schussfäden und/oder zumindest von einem Teil der Kettfäden jeweils paarweise zwei Schussfäden untereinander oder zwei Kettfäden untereinander ein thermoelektrisches System bilden.
Diese Ausführungsform sieht somit vor, dass das thermoelektrische System aus den Schussfäden und/oder Kettfäden selbst besteht bzw. hieraus gebildet ist. Insbesondere besteht das thermoelektrische System aus den Schussfäden selbst.
Die an den Schussfäden und/oder Kettfäden abfallende Spannung kann z.B. an den äußeren Enden des Gitters, d.h. an den Enden der Schussfäden bzw. Kettfäden abgegriffen werden. Eine bevorzugt Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein thermoelektrisches System zwei metallische Leiter enthält, die im Temperaturbereich von -50 °C bis 75 °C voneinander unterschiedliche lineare thermische Widerstandskoeffizienten aufweisen. Der Unterschied zwischen den linearen thermischen Widerstandsko- effizienten der zwei metallischen Leiter beträgt dabei im Temperaturbereich von -50 °C bis 75 °C bevorzugt mindestens 1,0 · 10~3 1/K, besonders bevorzugt mindestens 1,5 · 10~3 1/K, ganz besonders bevorzugt mindestens 1,7 · 10"3 1/K.
Der stoffspezifische Widerstand p ist folgendermaßen definiert: p = R - A / l wobei R dem elektrischen Widerstand, A der Fläche und I der Länge entspricht. Beispiele für stoffspezifische Widerstände einiger Metalle sind:
Pcu = 1,7 · 10"2 Ω mm2 /m
pFe = 1,0 · 10"1 Ω mm2 /m
Zur Darstellung der Temperaturabhängigkeit des Widerstands, bzw. des stoffspezifischen Widerstands wird der lineare thermische Widerstandskoeffizient α herangezogen. p(T) = α · pT=2o °c (T-20°C) + pT=2o°c
Beispiele für lineare thermische Widerstandskoeffizienten einiger Metalle sind: acu = 3,9 10"3 1/°C
αΑι = 3,9 10~3 1/°C
aFe = 5,6 10"3 1/°C
In dem Maße, in dem Materialien mit möglichst unterschiedlichen a-Werten gekoppelt werden, können Potenzialdifferenzen im durchschrittenen T- Intervall gesteigert werden. Umso unterschiedlicher also der lineare thermische Widerstandskoeffizient zweier metallischer Leiter ist, desto höher ist der Spannungsgradient und somit auch die abgreifbare Potentialdifferenz bei einem gegebenen Temperaturgradienten.
Bevorzugt ist somit auch die Verwendung von Metall-Kombinationen, bei denen der spezifische Widerstand bei zunehmender Temperatur zunimmt, mit Legierungen, bei denen ein konstantes Temperaturverhalten vorliegt (z.B. Konstantan).
Im Weiteren ist es bevorzugt, dass das Gittergewebe Schussfäden und Kettfäden aufweist, und von zumindest einem Teil der Schussfäden und Kettfäden jeweils paarweise zwei, insbesondere zwei benachbarte Schussfäden oder Kettfäden ein thermoelektrisches System bilden, wobei einer der zwei benachbarten Schussfäden oder Kettfäden einen der zwei metallischen Leiter enthält und der andere der zwei benachbarten Schussfäden oder Kettfäden den anderen der zwei metallischen Leiter enthält.
Eine beispielhafte Ausführungsform sieht vor, dass jeweils abwechselnd durchgängig ausgebildete Schussfäden aus Eisen bzw. alternierend Kupfer ausgebildet sind. Diese Schussfäden sind mit Kettfäden, die z.B. aus Stahl gebildet sein können, verwoben. Die Schussfäden weisen dabei eine elektrisch isolierende Isolierung, z.B. eine Lackierung auf. Abfallende Spannung kann seriell oder parallel verschaltet an den jeweiligen Enden der Schussfäden abgegriffen werden.
Gemäß einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass ein thermoelektrisches System dadurch gebildet ist, dass jeweils zwei benachbarte Schussfäden alternierend aus unterschiedlichen Metallen mit unterschiedlichen linearen thermischen Widerstandskoeffizienten gebildet sind. Die Kettfäden können dabei ebenso aus elektrisch leitenden Materialien, aber auch aus isolierenden Materialien gebildet sein. Für den bevorzugten Fall, dass auch die Kettfäden aus elektrisch leitenden Materialien gebildet sind, ist es bevorzugt, wenn die Schussfäden durchgängig mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, z.B. einem elektrisch isolierenden Lack, beschichtet sind. Diese elektrisch isolierende Beschichtung kann alternativ oder zusätzlich auch auf den Kettfäden angebracht sein.
Zudem ist es bevorzugt, dass jedes thermoelektrische System die gleichen zwei metallischen Leiter enthält und/oder die zwei metallischen Leiter ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Kupfer, Aluminium, Nickel sowie Legierungen und Mischungen hiervon. Durch Verwendung dieser Materialien können besonders große Unterschiede der linearen thermischen Widerstandskoeffizienten erreicht werden, wobei die Metalle gleichzeitig vergleichsweise kostengünstig erhältlich sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein thermoelektrisches System mindestens ein thermoelektrisches und/oder pyroelektrisches Mineral enthält. Ein bevorzugtes Mineral ist hierbei Jarusit (Kalium-Eisen-Hydroxy- Sulfat). Dieses verfügt im Kristallgitter über Zwischenniveaus der potenziellen Energie, die kollektiv umbesetzt werden können. Hierdurch entsteht ein Spannungsgradient aus einem bestehenden Temperaturgradienten.
Dieses mindestens ein thermoelektrisches und/oder pyroelektrisches Mineral enthaltende thermoelektrisches System kann alternativ oder zusätzlich zum oben angesprochenen thermoelektrischen System, das durch die Schuss- und/oder Kettfäden gebildet ist, vorhanden sein. Insbesondere ist bevorzugt, wenn das mindestens ein thermoelektrisches und/oder pyroelektrisches Mineral enthaltende thermoelektrisches System zusätzlich zum oben angesprochenen thermoelektrischen System, das durch die Schuss- und/oder Kettfäden gebildet ist, in der Vorrichtung vorhanden ist.
Bei Anwesenheit von zwei unterschiedlichen thermoelektrischen Systemen können dabei unterschiedliche Temperaturdifferenzen besser ausgenutzt werden.
Im Weiteren ist bevorzugt, dass das thermoelektrische und/oder
pyroelektrische Mineral in vorzugsweise elektrisch nicht leitfähigen, isolierten Röhren, bevorzugt nicht elektrisch leitenden Kunststoffzylindern, enthalten ist, welche in das Gittergewebe eingefügt sind, wobei die Röhren bevorzugt als Schussfäden und/oder Kettfäden in das Gittergewebe eingefügt sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein thermoelektrisches System mindestens einen Kreislauf- oder Schlaufen-Reaktor enthält, wobei jeder Kreislauf- oder Schlaufen-Reaktor in ein Metallröhrchen integriert ist, welches bevorzugt als Schussfaden und/oder Kettfaden in das Gittergewebe eingefügt ist.
Auch dieses thermoelektrische System (Kreislauf- oder Schlaufen-Reaktor) kann dabei additiv oder alternativ zum eingangs erwähnten thermoelektrischen System, das durch die Schuss- und/oder Kettfäden gebildet ist, aber auch zum thermoelektrisches und/oder pyroelektrisches Mineral enthaltenden thermoelektrisches System vorhanden sein. Besonders bevorzugt ist der Kreislauf- bzw. Schlaufenreaktor zusätzlich zum thermoelektrischen System, das durch die Schuss- und/oder Kettfäden gebildet ist, vorhanden. Die Metallröhrchen können dabei sowohl die der den Temperaturgradienten verursachenden Strahlungsquelle (z.B. Sonne) zugewandte als auch die der Strahlungsquelle abgewandte Seite abdecken.
Zudem ist bevorzugt, dass der Kreislauf- oder Schlaufenreaktor ein Redox- Flow-System ist, in dem eine durch die Temperaturdifferenz intrinsische (d.h. selbsttätige) Zirkulation eines Elektrolyten stattfindet, wobei das Redox-Flow- System bevorzugt ein Vanadium-Redox-Akkumulator ist. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass die normalerweise notwendige Pumpenergie zur Erzeugung der Zirkulation entfällt, da die Zirkulation durch den Temperaturgradienten und somit intrinsisch entsteht. Der Wirkungsgrad kann somit deutlich erhöht werden.
Redox-Flow-Systeme sind hinsichtlich Leistungsdichte durch Systemauslegung in weiten Bereichen variierbar und können als reversible Speicher elektrischer Energie genutzt werden. Wegen der breiten Oxidationszahl werden Elektroly- te auf Basis von Vanadium-Oxy-Sulfaten vorgeschlagen. (V02)+-Sulfat mit Vanadium in der Oxidationsstufe +V wird im Entladevorgang zum (VO)2+-Sulfat mit Vanadium in der Oxidationsstufe +IV umgewandelt und gibt unter Elektronen-Aufnahme ein hypothetisches O2" ab, das unter H+-Aufnahme zu H20 weiter reagiert. Vanadiumsulfat mit Vanadium in der Oxidationsstufe +11 rea- giert im Entladevorgang unter Elektronenfreisetzung zu Vanadium in der Oxidationsstufe +111.
Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Gittergewebe an einer Kante mit einer IR-absorbierenden Beschichtung und an einer der einen Kante gegenüberliegenden Kante mit einer IR-reflektierenden Beschichtung versehen ist. Durch diese Ausführungsform kann eine verbesserte Wärmeeinkopplung oder -abfuhr ermöglicht oder die Dynamik des Prozesses vergrößert werden. In der Folge führt dies zur Erhöhung des Temperaturgradienten. Bevorzugt handelt es sich bei der IR-absorbierenden Beschichtung und/oder der IR-reflektierenden Beschichtung um eine thermochrome Leuko-
Beschichtung. Diese wechseln bei einer einstellbaren„Schalt-Temperatur" von schwarz (optimierte Absorption thermaler Strahlung) in transparent (optimierte Reflexion in Verbindung mit dem Grundsystem). In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei voneinander verschiedene thermoelektri- sche Systeme. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit zwei voneinander verschiedene, drei voneinander verschiedene oder vier voneinander verschiedene thermoelektrische Systeme enthalten. Beispielsweise enthält eine solche Vorrichtung mindestens ein thermoelektrisches System, welches zwei metallische Leiter enthält, die im Temperaturbereich von -50 °C bis 75 °C voneinander unterschiedliche lineare thermische Widerstandskoeffizienten aufweisen, sowie mindestens ein weiteres thermoelektrisches System, welches mindestens ein thermoelektrisches und/oder pyroelektrisches Mineral enthält.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Gittergewebe Schussfäden und Kettfäden auf, wobei der kleinste eingeschlossene Winkel zwischen jeweils einem Kettfaden und einem Schussfadenbevorzugt 30° bis 90°, besonders bevorzugt 45° bis 90°, ganz besonders bevorzugt 60° bis 90°, insbesondere gleich 90°, ist.
Weiterhin ist bevorzugt, dass das Gittergewebe mit Drähten der Stärke 0,1 mm bis 10 mm, bevorzugt 0,5 mm bis 3 mm, besonders bevorzugt 1 mm bis 2,5 mm, ausgeführt ist.
Außerdem ist bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Wärmepumpe kombiniert ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest bereichsweise in die Fassade oder die Fassadenverkleidung eines Gebäudes oder Bauwerkes integriert ist. Bevorzugt handelt es sich bei der Fassade um eine Metallfassade. Das Gebäude ist bevorzugt ein Haus. Die Vorrichtung sollte dabei so integriert sein, dass ein möglichst hoher Temperaturgradient innerhalb der Vorrichtung erzielt wird.
Es ist bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest bereichsweise in die Fassade oder die Fassadenverkleidung zweier unter einem Winkel von 60° bis 120°, bevorzugt 80° bis 100°, aneinander angrenzender Fronten des Gebäudes oder Bauwerkes integriert ist, wobei bevorzugt die eine Front im Wesentlichen nach Osten und die zweite Front im Wesentlichen nach Sü- den ausgerichtet ist. Das System kann selbstverständlich ebenso auf Dachflächen angebracht sein. Auf diese Weise kann durch die Sonneneinstrahlung im zeitlichen Mittel ein sehr hoher Temperaturgradient erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur direkten und reversiblen Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, wobei innerhalb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zunächst ein Temperaturgradient, bevorzugt durch Sonneneinstrahlung, verursacht wird und anschließend die dadurch entstandene Potentialdifferenz abgegriffen wird.
Im Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energiespeicherung, zum direkten Antrieb elektrischer Geräte, zur Temperatur- Steuerung und/oder als integraler Bestandteil einer Fassade oder einer Fassadenverkleidung eines Gebäudes oder Bauwerkes. Bevorzugt handelt es sich bei der Fassade um eine Metallfassade. Das Gebäude ist bevorzugt ein Haus.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne die Erfindung jedoch auf die speziell dargestellten Parameter zu beschränken.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem elektrisch leitfähigen Gittergewebe (8), welches zumindest bereichsweise mit einer elektrischen Isolationsbeschichtung versehen ist. Das Gittergewebe weist Schussfäden und Kettfäden auf. Schematisch ist anhand zwei herausgehoben dargestellter Schussfäden illustriert, wie zwei benachbarte Schussfäden ein ther- moelektrisches System bilden. Das thermoelektrische System enthält die zwei metallischen Leiter Kupfer und Eisen, wobei einer der zwei benachbarten Schussfäden (1) Eisen und der andere (2) der zwei benachbarten Schussfäden Kupfer enthält. Durch Sonneneinstrahlung (3) von links kommt es zu einem Temperaturgradienten (4) innerhalb der Vorrichtung. Durch die unterschiedlichen linearen thermischen Widerstandskoeffizienten von Kupfer (2) und Eisen (1) entsteht so ein Spannungsgradient (5), der in Form einer Potentialdifferenz am Ende zwischen einem jeden Paar der Schussfäden abgegriffen werden kann.
Figur 2 zeigt eine erweiterte Ausführungsform der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung. Hier ist schematisch dargestellt, wie zusätzlich eine mit pyroelektrischen Mineralien (6) gefüllte Röhre (7) in das Gewebe (8) eingearbeitet ist. Diese Röhre bildet ein zusätzliches zu den durch die Schussfäden gebildetes thermoelektrisches System, das jedoch ebenso ins Gittergewebe integriert ist.
Figur 3 zeigt ein mögliches thermoelektrisches System (14), das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung integriert sein kann. Dieses enthält einen Vanadi- um-Redox-Akkumulator. (V02)+-Sulfat mit Vanadium in der Oxidationsstufe +V (15) wird im Entladevorgang zum (VO)2+-Sulfat mit Vanadium in der Oxidationsstufe +IV umgewandelt und gibt unter Elektronen-Aufnahme ein hypothetisches O2" ab, das unter H+-Aufnahme zu H20 weiter reagiert. Vanadiumsulfat mit Vanadium in der Oxidationsstufe +11 (16) reagiert im Entladevorgang unter Elektronenfreisetzung zu Vanadium in der Oxidationsstufe +111. Die Redoxreak- tion wird durch einen Temperaturgradienten getrieben. Auch dieses thermo- elektrische System kann in das erfindungsgemäße Gittergewebe integriert werden.
Figur 4 zeigt ein elektrisch leitfähiges Gittergewebe (8), wobei dieses im Bereich einer Kante mit einer IR-absorbierenden (12) Beschichtung und im Bereich einer der einen Kante gegenüberliegenden Kante mit einer IR- reflektierenden (13) Beschichtung versehen ist. Gemäß dieser Ausführungsform lässt sich auch z.B. bei gleichmäßiger Sonnenbestrahlung des Gittergewebes eine Temperaturgradient im Gewebe erzielen.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der Platzierung eines Drahtgewebes (8) entlang der Ost- (9) und Südfassade (10) bei einem hinsichtlich der Himmelsrichtung ideal ausgerichteten Haus (11) zur Optimierung der Temperaturdifferenz als Funktion des Sonnenstands bzw. der täglichen relativen Sonnenbewegung. Durch die Anordnung des Drahtgewebes auf zwei unterschiedlich ausgerichteten Seiten des Gebäudes ist stets eine unterschiedlich intensive Sonnenbestrahlung gewährleistet, so dass ein Temperarturgradient sicher erzielt werden kann.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur direkten und reversiblen Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, enthaltend ein elektrisch leitfähiges Gittergewebe (8), welches zumindest bereichsweise mit einer elektrischen Isolationsbeschichtung versehen ist, wobei das Gittergewebe (8) mindestens ein thermoelektrisches System enthält, durch welches bei Vorliegen eines Temperaturgradienten (4) innerhalb der Vorrichtung ein Spannungsgradient (5) und somit eine abgreifbare Potentialdifferenz entsteht, wobei das Gittergewebe (8) untereinander unverbun- dene Schussfäden und mit den unverbundenen Schussfäden verwobe- nen Kettfäden aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussfäden und Kettfäden durchgängig und ununterbrochen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von zumindest einem Teil der Schussfäden und/oder zumindest von einem Teil der Kettfäden jeweils paarweise zwei Schussfäden untereinander oder zwei Kettfäden untereinander ein thermoelektrisches System bilden.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein thermoelektrisches System zwei metallische Leiter enthält, die im Temperaturbereich von -50 °C bis 75 °C voneinander unterschiedliche lineare thermische Widerstandskoeffizienten aufweisen, wobei der Unterschied zwischen den linearen thermischen Widerstandskoeffizienten der zwei metallischen Leiter im Temperaturbereich von -50 °C bis 75 °C bevorzugt mindestens
1,0 · 10~3 1/°C, besonders bevorzugt mindestens 1,5 · 10~3 1/°C, ganz besonders bevorzugt mindestens 1,7 · 10"3 1/°C, beträgt.
5. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils paarweise, insbesondere jeweils zwei benachbarte Schussfäden oder Kettfäden ein thermoelektrisches System bilden, wobei einer der zwei benachbarten Schussfäden oder Kettfäden einen der zwei metallischen Leiter enthält und der andere der zwei benachbarten Schussfäden oder Kettfäden den anderen der zwei metallischen Leiter enthält.
6. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes thermoelektrische System die gleichen zwei metallischen Leiter enthält und/oder die zwei metallischen Leiter ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Kupfer, Aluminium, Nickel sowie Legierungen und Mischungen hiervon.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussfäden und/oder die Kettfäden durchgängig mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein thermoelektrisches System mindestens ein thermoelektrisches und/oder pyroelektrisches Mineral (6), bevorzugt Jarusit, enthält.
9. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische und/oder pyroelektrische Mineral (6) in Röhren (7), bevorzugt nicht elektrisch leitenden Kunststoffzylindern, enthalten ist, welche in das Gittergewebe (8) eingefügt sind, wobei die Röhren (7) bevorzugt als Schussfäden und/oder Kettfäden in das Gittergewebe (8) eingefügt sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein thermoelektrisches System mindestens einen Kreislauf- oder Schlaufen-Reaktor enthält, wobei jeder Kreislauf- oder Schlaufen-Reaktor in ein Metallröhrchen integriert ist, welches bevorzugt als Schussfaden und/oder Kettfaden in das Gittergewebe (8) eingefügt ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf- oder Schlaufenreaktor ein Redox-Flow- System ist, in dem eine intrinsische Zirkulation eines Elektrolyten statt findet, wobei das Redox-Flow-System bevorzugt ein Vanadium-Redox- Akkumulator ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Gittergewebe (8) im Bereich einer Kante mit einer IR-absorbierenden Beschichtung (12) und im Bereich einer der einen Kante gegenüberliegenden Kante mit einer IR-reflektierenden Beschichtung (13) versehen ist, wobei es sich bei der IR-absorbierenden Beschichtung (12) und/oder der IR- reflektierenden Beschichtung (13) bevorzugt um eine thermochrome Leuko-Beschichtung handelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gittergewebe (8) Schussfäden und Kettfäden aufweist, wobei der kleinste eingeschlossene Winkel zwischen jeweils einem Kettfaden und einem Schussfadenbevorzugt 30° bis 90°, besonders bevorzugt 45° bis 90°, ganz besonders bevorzugt 60° bis 90°, insbesondere gleich 90°, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gittergewebe (8) mit Drähten der Stärke 0,1 mm bis 10 mm, bevorzugt 0,5 mm bis 3 mm, besonders bevorzugt 1 mm bis 2,5 mm, ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einer Wärmepumpe kombiniert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest bereichsweise in die Fassade, bevorzugt Metallfassade, oder die Fassadenverkleidung eines Gebäudes, bevorzugt Hauses (11), oder Bauwerkes integriert ist.
17. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest bereichsweise über zwei unterschiedlich ausgerichtete Seiten des Gebäudes integriert ist.
18. Verfahren zur direkten und reversiblen Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, wobei innerhalb einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zunächst ein Temperaturgradient (4), bevorzugt durch Sonneneinstrahlung (3), verursacht wird und anschließend die dadurch entstandene Potentialdifferenz abgegriffen wird.
19. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Energiespeicherung, zum direkten Antrieb elektrischer Geräte, zur Temperatur-Steuerung und/oder als integraler Bestandteil einer Fassade, bevorzugt einer Metallfassade, oder einer Fassadenverkleidung eines Gebäudes, bevorzugt eines Hauses (11), oder Bauwerkes.
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