Beschreibung
Wandler zur Erzeugung elektrischer Energie (Heiß-Kalt-Strom Element)
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie und/oder Strahiungsenergie in elekrische Energie mit mindestens einem ersten Halbleiter aus P- leitendem (P-Leiter) und einem zweitem Halbleiter aus N- leitendem (N-Leiter) in Form von draht- oder bandförmigem Material .
Bei der Umwandlung von Strahlungsenergie in elekrische Energie ist die Anwendung von Solarzellen hinlänglich bekannt. Nach wie vor ist Herstellung derartiger Zellen .sehr aufwendig, so daß eine breite Anwendung noch nicht erfolgt ist. Die Umwandlung von Wärmeenergie in elekrische Energie erfolgt bekanntlich im wesentlichen über entsprechende rotierende Generatoren.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit der Umwandlung von Wärmeenergie υnd/oder Strahiungsenergie in elektrische Energie vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wandler mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der P-Leiter, der beispielsweise aus einem entsprechenden P- Thermoelementmaterial oder aus entsprechend dotiertem Silizium bestehen kann, ist mit Abstand elektrisch isoliert von dem N- Leiter, der aus einem N-Thermoelementmaterial oder aus N- dotiertem Silizium bestehen kann, angeordnet. Das draht- oder
bandförmige Material kann dabei gerade oder spiralförmig aufgewickelt oder in einer sonstigen Art und Weise zur Erhöhung der effektiven Oberfläche auf dem zur Verfügung stehenden Raum hergestellt sein. Ein Teil des Leiters befindet sich in dem Heißbereich, während der andere Teil des jeweiligen Leiters sich in einem kühleren Bereich befindet. Im Kaltbereich können bei Bedarf mehrere gleichartige Leiterenden zu einer Ableitung zusammengefaßt werden. Die freien Enden im Heißbereich sind miteinander verbunden, was durch eine Brücke oder durch direkte Kontaktierung der beiden Enden miteinander erfolgen kann. Kaltbereich und Heißbereich sind durch eine Trennschicht getrennt, die ein Ausgleich der Temperaturen möglichst gut verhindern soll. Die Trennschicht wird von dem jeweiligen Leiter j- durchdrungen. Die jeweilige Länge der Leiter in den einzelnen Temperaturbereichen ist ein wichtiger Faktor bei der Energieumwandlung. Zur Spannungserhöhung werden eine Vielzahl von Leiterpaaren in Reihe und zur Stromerhöhung parallel geschaltet. 0
Überraschender Weise hat sich herausgestellt, daß neben den thermoelektrischen Eigenschaften des Materials und der Temperaturdifferenz (Heiß-Kalt)die durch den Wandler abgebbare Energie durch die Länge der Leiter in dem Heißbereich und dem Kaltbereich beeinflußbar ist. Diese Abhängigkeiten wurden in den 5 nachfolgend aufgeführten Versuchen ermittelt.
Beispiel I. 0
Es wurde N- und P-dotieres Silizium mit einer freien
1 fi —3 Ladungsträgerkonzentration von 10 x cm in Form von 1 mm dicken und 10 mm breiten Streifen verwendet. Bei den Proben 1),
2) und 3) wurden die Enden über Drähte kurzgeschlossen, während bei der Probe 4) die freien Enden im Heißbereich direkt 5 kurzgeschlossen wurden. Bei allen Proben waren vier Leiterpaare in Reihe geschaltet, wobei für die Anschlußenden als Material im
Kaltbereich NiCr-Drähte mit einer Länge von 15 cm verwendet wurden.
Temperaturbereiche in °C
Meßreihe Heißbereich Kaltbereich ΔT
A 52 20 32
B 45 20 25
C 28 10 18
Meßreihe
Proben Proben¬ A B c
Nr. länge in cm mV μA mV μA mV μA
1 2 6.2 0.43 3.9 0.25 1.6 0.09
2 4 7.1 0.45 3.6 0.24 1.6 0.12
3 8 12.4 0.75 4.0 0.26 2.0 0.10
4 9 14.4 1.11 5.6 0.51 3.3 0.27
Für diesen Versuch wurden die Leiter des Heißbereichs auf einer isolierenden Platte angeordnet und mit den durch die Platte durchgeführten Leiter des Kaltbereichs verlötet. Das Beispiel zeigt deutlich eine Abhängigkeit der erzeugten elektrischen Energie von der Länge Leiter im Heißbereich. Die direkte Verbindung der freien Enden miteinander, wie in der Probe Nr. 4) scheint noch eine weitere Verbesserung zu ergeben.
Beispiel II.
Bei dieser Versuchsreihe wurde NiCr-Ni-Draht mit einem Durchmesser von 1 mm verwendet, wobei 6 Paare in Reihe geschaltet wurden und die Drähte im Kaltbereich eine Länge von 15 cm aufwiesen. Es handelt sich dabei um Drähte nach DIN IEC 584 der Isabellenhütte in D-35683 Dillenburg mit der Bezeichnung Isatherm Plus KP und Isatherm Minus KN. Diese Drähte sind als Thermoelementmaterial im Handel.
Temperaturbereiche in °C
reihe Heißbere :ich Kaltbereich ΔT
A 57 18 39
B 52 20 32
C 45 20 25
D 28 20 18
Meßreihe
Proben- fa ß länge in cm mV μA mV μA mV μA mV μA
1 6.6 0.67 5.8 0.60 4.7 0.46 1.9 0.17 4 10.7 1.07 9.8 1.03 7.7 0.73 3.0 0.28
Auch hier zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der elektrischen Energie von der Temperatur und der Länge der Drähte.
Beispiel III.
Bei diesem Beispiel wurden bekannte Thermoelemente aufgebaut, derart, daß an den beiden Enden einer 1,5 cm langen und 1,5 cm breiten Kupferplatte die aus dem Beispiel II. bekannten Drähte als P-Leiter bzw. N-Leiter angeschlossen wurden. Bei dieser Versuchsreihe wurden die Drahtlängen im Kaltbereich variiert. Die Temperaturbereiche entsprechen den Temperaturbereichen im Beispiel II.
Meßreihe
roben- A B c D länge in cm mV μA mV μA mV μA mV μA
1 2.1 0.14 1.9 0.15 1.1 0.08 0.3 0.02
4 7.0 0.65 6.1 0.66 4.5 0.40 1.5 0.15
15 9.1 0.87 7.5 0.83 5.8 0.58 2.3 0.23
Bei dieser Versuchsreihe ergibt sich deutlich eine Abhängigkeit der elektrischen Energie von der Temperaturdifferenz zwischen dem Heiß- und dem Kaltbereich sowie der Drahtlänge im Kaltbereich.
Um die Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe weiter zu erhöhen weisen die einzelnen Leiter vorzugsweise dem Fachman geläufige
Oberflächenverformungen zur Vergrößerung der Oberfläche auf. Zweckmäßigerweise sind mindestens die Leiter im Heißbereich geschwärzt. In einer weiteren Ausführungsform sind im Heißbereich Prallflächen zur besseren Strahlungsabsorbtion angeordnet, die beispielsweise auch in eine sich bewegende warme Luft eingebracht werden können.
Zur Ausbildung des Energiewandlers als Ersatz für übliche Solarelemente sind gemäß einer weiteren Ausbildung die miteinander verbundenen Enden der Leiter im Heißbereich oberhalb einer wärmespeichernden Fläche angeordnet. Die wärmespeichernde Fläche kann beispielsweise durch tonziegelähnliches Material, aufeinander geschichtete teerartige Materialien oder sonstige elektrisch isolierende Materialien gebildet werden, die geeignet sind, die Wärme zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt abzugeben. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung wesentlich verbessert werden, da, wenn beispielsweise die äußere Quelle (Sonne) ausfällt, der Wärmespeicher die gespeicherte Wärme abgibt und damit eine längere Betriebsdauer ermöglicht.
Bei dieser Ausführung wird sowohl die Wärme- als auch die Strahlungsenergie genutzt. Eine lichtdurchlässige Kuppel, z. B. aus Glas, dient ebenfalls zur Vergrößerung der thermischen Effekte. Dabei ist im Gegensatz zu üblichen Solarelementen kein Leistungsabfall bei Extremtemperaturen zu erwarten; im Gegenteil es ist dort mit einer stetigen Leistungszunahme zu rechnen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung wird ein von heißen 0 Gasen oder Flüssigkeiten durchströmter kanalartiger Heißbereich vorgesehen. Grundsätzlich kann eine rohrformige Ausbildung gewählt werden, jedoch ist für die Unterbringung einer Vielzahl von Leiterpaaren eine kanalförmige Ausbildung vorteilhafter. Die in den heißen Gasen oder Flüssigkeiten enthaltene Wärme kann zur r Erzeugung elektrischer Energie gemäß den vorstehend erwähnten Prinzipien verwendet werden. Eine besonders interessante Anwendung stellen hier heiße Auspuffgase von Motoren, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, dar.
0 Eine konstruktive Lösung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Wärme der Sonne stellt gemäß einer weiteren Ausbildung eine lichtdurchlässige zylindrische Hülle dar, in deren Innerem ein Zylinder mit P- und N-Leitern angeordnet sind. Der Zwischenraum zwischen dem Zylinder und der Hülle bildet den Heißbereich und r r- der Innenraum des Zylinders den Kaltbereich. Durch entsprechende Neigung und eventuell auch Rotation des Zylinders kann mittels dieser Vorrichtung elektrische Energie aus Wärme gewonnen werden, da ein senkrechter Strahlungsaufprall bei der intensiven Bestrahlung und eine gleichmäßige Erhitzung gewährleistet wird.
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Durch die vorstehend aufgeführten Prinzipien werden somit vollkommen neue Möglichkeiten der Erzeugung der elektrischen Energie ermöglicht. Es sind dadurch beliebig viele Anwendungsfälle möglich, bei denen die Erzeugung von elektrischer Energie direkt im jeweiligen Gerät, zum Beispiel
35 bei Lampen, Pumpen, elektronischen Steuer- und
Regelschaltkreisen, Radiogeräten, Fernsehgeräten, Computer ect. , erfolgen kann.
Nachfolgend werden in schematischer Darstellung noch einige prinzipielle Anordnungsmöglichkeiten, in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
Es stellen dar:
Figur 1 eine rohrformige Anordnung zur Umwandlung von Auspuffgasen; 0
Figur 2 Anordnung von mehreren Leiterpaaren innerhalb einer glasartigen Kuppel (Thermoeffekt)in Reihe auf einem Wärmespeicher; und
5 Figur 3 die Anordnung eines Zylinders mit Leiter in einer lichtdurchlässigen Hülle.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Heiß-Kalt-Strom- Element in Form eines zylinderförmigen Rohres bzw. Luftkanales 1 in dem sich in Pfeilrichtung ein heißes Gas oder Flüssigkeit 0 bewegt. In dem Rohr sind ein P-Leiter 2 und mit Abstand dazu ein N-Leiter 3 angeordnet, die an ihrem Ende über eine elektrische Brücke 4 kurzgeschlossen sind. Die beiden Leiter 2, 3 werden aus dem Heißbereich 5 innerhalb des Rohres 1 heraus in den -.,- Kaltbereich 6 geführt. An diesen Punkten kann die elektrische Energie abgenommen werden. Die Leiter 2, 3 sind parallel zueinander angeordnet und mit Ausnahme der Kontaktstelle über ihre Länge elektrisch voneinander isoliert. Die in Figur 1 dargestellte Anordnung zeigt beispielhaft ein Leiterpaar; jedoch können beliebig viele entsprechend miteinander verbunden in
30 Reihe oder parallel geschaltet werden.
In Figur 2 ist schematisch eine Anordnung eines Heiß-Kalt-Strom- Elements dargestellt, bei der die P- und N-Leiter mit Prallflächen zur Erhöhung der Wärmeaufnahme ausgebildet sind.
35 Die Leiter 2, 3 sind durch einen Wärmespeicher 8 durchgeführt und im Kaltbereich 6 in Reihe miteinander geschaltet. Der Wärmespeicher 8 weist eine Isolierschicht 9 zur Trennung des Heißbereichs 5 von dem Kaltbereich 6 auf. Eine glasartige
lichtdurchlässige Hülle 11 dient zur Erhöhung der thermischen Effekte.
In der Anordnung gemäß Figur 3 befinden sich die P/N-Leiterpaare auf einem zylindrischen Träger 10, der in einer lichtdurchlässigen Hülle 11 angeordnet ist. Der Heißbereich 5 entsteht durch die einfallende Strahlung 12 zwischen dem Zylinder 10 und der Hülle 11.
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Die Leiter können aus Band- oder Drahtmaterial, wie in den Figuren 1, 2 oder aus Silizium, das entsprechend dotiert ist, wie in Figur 3, hergestellt sein.
HC Der Kaltbereich ist durch eine Wärmeisolierung vom Heißbereich
1o und eine effektive Luftzirkulation gekennzeichnet.
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