WO2008132109A2

WO2008132109A2 - Verfahren zur energiegewinnung und generatoranordnung

Info

Publication number: WO2008132109A2
Application number: PCT/EP2008/054913
Authority: WO
Inventors: Karl-Ernst Schnorr
Original assignee: Karl-Ernst Schnorr
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2008-11-06
Also published as: WO2008132109A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Generatoranordnung zur Gewinnung elektrischer Energie, mit einer Wärmequelle, einer Prozesskammer (24) und einem in einem Grenzbereich zwischen einer Warmseite (28) und einer Kaltseite (29) der Prozesskammer angeordneten thermoelektrischen Modul (25), wobei am thermoelektrischen Modul eine erste Wärmeübertragereinrichtung (26) zur Wärmezufuhr und eine zweite Wärmeübertragereinrichtung (27) zur Wärmeabfuhr angeordnet ist, und wobei ein Medienstrom zwischen der Warm- und der Kaltseite zirkuliert, wobei dem Medienstrom Wärmeenergie der Wärmequelle und der zweiten Wärmeübertragereinrichtung zugeführt wird und auf die erste Wärmeübertragereinrichtung übertragen wird, wobei das thermoelektrische Modul aus einer so erzeugten Temperaturdifferenz elektrische Energie gewinnt.

Description

Verfahren zur Energiegewinnung und Generatoranordnung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Generatoranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie aus Wärmeenergie bzw. derart nutzbare Generatoren bekannt. So erfolgt die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie regelmäßig auf Basis thermoelektrischer Module, wie zum Beispiel Peltierelemente. Diese Peltierelemente sind auf einer Warmseite mit Wärmetauschern zur Sammlung von Wärmeenergie und auf einer Kaltseite mit Wärmetauschern zur Abgabe von Wärmeenergie verbunden. Die Wärmetauscher dienen insbesondere zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz zwischen der Warm- und Kaltseite des Peltierele- ments, wobei das Peltierelement aus der Temperaturdifferenz bzw. Temperaturspannung elektrische Energie gewinnen kann. Infolge der Stromerzeugung erfolgt ein Temperaturausgleich zwischen der Warm- bzw. Kaltseite des Peltierelements, so dass es einer beständigen Aufrechterhaltung eines Temperaturgefälles vermittels einer Wärmezu- bzw. Abführung bedarf. Besonders vorteilhaft bei dieser Art der Stromerzeugung ist, dass nicht zwangsläufig mechanisch bewegbare Generatorteile benötigt werden, die zu Energieverlusten führen und dass ein derartiger Generator vergleichsweise klein ausbildbar und universell in Verbindung mit verschiedensten Wärmequellen einsetzbar ist. Nachteilig ist, dass über Peltierelemente nur begrenzte Wärmestromdichten geführt werden können. Die bekannten Generatoren weisen daher einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad auf, da beispielsweise durch Verbrennung erzeugte Wärmeenergie nicht vollständig über den Wärmetauscher der Warmseite auf die Kaltseite des Peltierelements überführt werden kann. Ein Großteil der Verbrennungswärme geht bei den bekannten Generatoren über einen Abgasstrom verloren, ohne dass eine Nutzung dieser Wärmeenergie vermittels des Peltierelements möglich wäre. Auch bei anderen Wärmequellen, wie zum Beispiel Sonnenwärme , besteht das Problem, dass ein dem Generator zugeführter Wärmestrom größer ist als ein vom Generator nutzbarer Wärmestrom, so dass vergleichsweise hohe Wärmeverluste entstehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Generatoranordnung vorzuschlagen, vermittels dem bzw. der ein verbesserter Wirkungsgrad bei der Gewinnung elektrischer Energie aus Wärmeenergie erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Generatoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie, mit einer Wärmequelle, einer Prozesskammer und einem in einem Grenzbereich zwischen einer Warmseite und einer Kaltseite der Prozesskammer angeordneten thermoelektrischen Modul, wobei am thermoelektrischen Modul eine erste Wärmeübertragereinrichtung zur Wärmezufuhr und eine zweite Wärmeübertragereinrichtung zur Wärmeabfuhr angeordnet ist, zirkuliert ein Medienstrom zwischen der Warm- und der Kaltseite, wobei dem Medienstrom Wärmeenergie der Wärmequelle und der zweiten Wärmeübertragereinrichtung zugeführt wird und auf die erste Wärmeübertragereinrichtung übertragen wird, wobei das thermoelektrische Modul aus einer so erzeugten Temperaturdifferenz elektrische Energie gewinnt. Insbesondere durch die Zirkulation des Medienstroms erfolgt eine Rückführung von Wärmenergie, welche von der Warmseite auf die Kaltseite des thermoelektrischen Moduls übertragen wurde, zurück zur Warmseite. Die Ausbildung eines derartigen Medienstroms hat eine Verringerung von Wärmeenergieverlusten und somit eine Wirkungsgradve rbesserung zur Folge, da der von der Wärmequelle ausgehende Wärmestrom in der Prozesskammer zirkuliert und nicht aus der Prozesskammer unmittelbar nach Übertragung von Wärmeenergie auf die erste Wärmeübertragereinrichtung zur Wärmezufuhr austritt. Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt somit die Eigenschaft thermoelektrischer Module, dass nur begrenzte Wärmestromdichten von einer Warm- zu einer Kaltseite nutzbar geführt werden können.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn ein Luftaustausch zwischen der Prozesskammer und einer Umgebung erfolgt. Vermittels des Luftaustauschs kann eine Medientemperatur in der Prozesskammer geregelt bzw. eingestellt werden. Darüber hinaus wird bei der Verwendung von Luft als Wärmeträgermedium eine besonders einfache Ausführung des Verfahrens ermöglicht, da technische Vorrichtungskomponenten keiner besonderen Anpassung an das Medium Luft bedürfen. Grundsätz- lieh können jedoch beliebige Medien zur Ausbildung eines Medienstroms verwendet werden, wie beispielsweise eine Flüssigkeit.

In einer Ausführungsform des Verfahrens kann eine Luftzufuhr zur Erzeugung einer gleichmäßigen Temperaturdifferenz zwischen der Warmseite und der Kaltseite erfolgen. Vermittels des Verfahrens ist dann eine im Wesentlichen konstante Menge elektrischer Energie erzeugbar. Das Verfahren kann dann auch auf eine Temperaturdifferenz abgestimmt werden, bei der das thermoelektrische Modul einen optimierten Wirkungsgrad erreicht.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann eine Luftzufuhr alleine zur Beeinflussung eines Verbrennungsvorgangs in der Prozess- kammer erfolgen. Vermittels der den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Luftzufuhr kann dann die in der Prozesskammer erzeugte Wärmemenge gesteuert werden, wobei die Wärmemenge dann ebenfalls an einen optimalen Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls angepasst werden kann.

Verbrennungswärme kann grundsätzlich als Wärmequelle im Rahmen des Verfahrens genutzt werden. Auch ist als Wärmequelle Abwärme einer Anlage, die beispielsweise Wärme als überschüssiges Produkt erzeugt oder primär zur Wärmeerzeugung dient, nutzbar. Ebenso kann Strahlungswärme der Sonne als Wärmequelle genutzt werden. Eine Verwen- düng derartiger regenerativer Wärmequellen ist aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten besonders sinnvoll.

Besonders geringe Wärmeverluste ergeben sich, wenn eine Wärmeerzeugung direkt in der Prozesskammer erfolgt. In der Prozesskammer kann dann beispielsweise eine Verbrennungsstelle angeordnet sein. Auch kann die Prozesskammer eine Anlage umfassen, welche Abwärme abgibt, wie beispielsweise einen Bioreaktor. Die Prozesskammer kann auch als ein Kollektor für Strahlungswärme der Sonne oder andere mögliche Primärwärmequellen ausgebildet sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann die Wärme - erzeugung auch außerhalb der Prozesskammer erfolgen, wobei dann als Wärmequelle eine dritte Wärmeübertragereinrichtung genutzt werden kann. Die dritte Wärmeübertragereinrichtung dient in diesem Fall dann als Wärmequelle in der Prozesskammer. Die technischen Komponenten zur Ausbildung des Verfahrens sind so leicht standardisierbar, da diese unabhängig von einer Primärenergiequelle ausgebildet werden können. Auch können so gleichzeitig verschiedene Energiequellen mit dem Verfahren genutzt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Medienstrom in der Prozesskammer zumindest teilweise vermittels eines Ventilators erzeugt wird. Neben einer, den Medienstrom ausbildenden natürlichen Konvektion kann der Medienstrom so alternativ beeinflusst bzw. überhaupt erst erzeugt werden. Als Ventilator kann jede den Medienstrom bewegbare technische Vorrichtung verwendet werden.

Eine Strömungsgeschwindigkeit des Medienstroms auf der Warmseite kann größer sein als eine Strömungsgeschwindigkeit des Medienstroms auf der Kaltseite. Die so ausgebildeten unterschiedlichen Wärmeströme auf der Warm- bzw. Kaltseite können dann eine Aufrechterhaltung einer zur Erzeugung von elektrischer Energie notwendigen Temperaturdifferenz zwischen der Warm- und der Kaltseite dienen.

Zur Anpassung von Temperaturniveaus kann auch ein Austausch von Wärmeenergie der Wärmeübertragereinrichtung mit einer externen Einrichtung vermittels flüssigen Mediums erfolgen. So kann an einer oder mehr Wärmeübertragereinrichtungen Wärmeenergie vermittels des flüssigen Mediums zu- oder abgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Generatoranordnung zur Gewinnung elektrischer Energie weist eine Wärmequelle, eine Prozesskammer und einem in einem Grenzbereich zwischen einer Warmseite und einer Kaltseite der Prozesskammer angeordneten thermoelektrischen Modul auf, wobei am thermoelektrischen Modul eine erste Wärmeübertragereinrichtung zur Wärmezufuhr und eine zweite Wärmeübertragereinrichtung zur Wärmeabfuhr angeordnet ist, derart, dass ein Medienstrom zwischen der Warmund der Kaltseite zirkulieren kann, wobei dem Medienstrom Wärmeenergie der Wärmequelle und der zweiten Wärmeübertragereinrichtung zuführbar und auf die erste Wärmeübertragereinrichtung übertragbar ist. Neben einer Generatoranordnung mit einem verbesserten Wirkungsgrad ist so eine Generatoranordnung ausbildbar, die in ihren Abmessungen vergleichsweise klein und somit zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie gut nutzbar ist.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die erste und/oder die zweite Wärmeübertragereinrichtung eine Absorptionsfolie zur Aufnahme bzw. Abgabe von Wärmeenergie aufweist. Insbesondere durch die Verwendung einer dünnen Absorptionsfolie mit einem sehr hohen Absorptionsgrad kann auf die Ausbildung von beispielsweise Rippen an den Wärmeübertragereinrichtungen verzichtet werden, so dass eine relativ kleine Baugröße der Generatoranordnung erzielbar ist. Auch wird ein Wirkungsgrad der Generatoranordnung durch die Verwendung der Absorptionsfolie wesentlich verbessert.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads ist möglich, wenn die Prozesskammer wärmeisoliert ist. Eine wärmeisolierte Prozesskammer bewirkt eine Minimierung von Wärmeverlusten an eine Umgebung.

Auch kann auf der Warmseite eine Wärmespeichereinrichtung vorgesehen sein, wobei die Wärmespeichereinrichtung zur Zwischenspeicherung von der Wärmequelle emittierter Wärmeenergie nutzbar ist. Eine unregelmäßige oder übermäßige Wärmeabgabe der Wärmequelle an das System kann so vorteilhaft ausgeglichen werden. Da der Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens durch die Einzelwirkungsgrade der hieran beteiligten Verfahrensstufen bestimmt wird, hat auch die Wärmespeicherfunktion der am Verfahren beteiligten Komponenten eine große Bedeutung. Sie kann beispielsweise den Zeitunterschied zwischen explo- sionsartig verlaufender chemisch-exothermer Reaktion und träge verlaufender Wärmeleitung ausgleichen.

Weiter kann zur Gewinnung einer gleichmäßigen Menge elektrischer Energie zumindest eine der Wärmeübertragereinrichtungen bzw. die Wärmequelle zum Austausch von Wärmeenergie mit einer externen Einrichtung ausgebildet sein. Mit der externen Einrichtung kann so die in das System eingebrachte Wärmemenge gesteuert und folglich der Wirkungsgrad optimiert bzw. die Menge gewonnener elektrischer Ene rgie geregelt werden.

Eine weitere Wirkungsgradverbesserung ist erzielbar, wenn die zweite Wärmeübertragereinrichtung eine vergleichsweise größere Absorptionsfläche als die erste Wärmeübertragereinrichtung aufweist. Von der zweiten Wärmeübertragereinrichtung ist dann besonders effektiv Wärmeenergie an den Medienstrom abführbar. Eine derartige Ausgestaltung der zweiten Wärmeübertragereinrichtung ist dann besonders sinnvoll, wenn keine zusätzlichen Mittel zur Abführung von Wärmeenergie bzw. deren Unterstützung vorgesehen sind. Neben der Änderung der Medienströme können die Wärmetauscherflächen, ihre Wärmekapazitäten und die Temperaturdifferenzen die Wirkungsgrade der einzelnen Stufen der Wärmeübertragung beeinflussen. Das wesentlichste Ziel der Wärmerüc k- führung zwecks Wirkungsgradverbesserung ist die Reduzierung der von außen dem System zuzuführenden Energie. Hierbei hat sich gezeigt, dass bei der Vergrößerung der Wärmetauscherflächen auf der Kaltseite, selbst bei kleiner werdender Temperaturdifferenz, ein größerer Wärmestrom fließt und damit eine Steigerung der elektrischen Generatorleistung möglich ist. Strömt das Wärmeträgermedium mit höherer Temperatur zurück auf die Warmseite der Thermogeneratoren, so kann sich zwangsläufig die von außen zuzuführende Energie vermindern, um eine gleich bleibende Generatorleistung zu erzielen.

Ein funktionsoptimierter Medienstrom ist dann besonders gut ausbildbar, wenn Mittel zur Führung des Medienstroms vorgesehen sind. So können beispielsweise aerodynamisch vorteilhaft wirkende Trennwände Schächte oder Kammern ausbilden, die eine Zirkulation des Medienstroms begünstigen.

In einer Ausführungsform kann zwischen der Warmseite und der Kaltsei- te eine zumindest teilweise mediendurchlässige Trennwand vorgesehen sein. Eine derartige Trennwand kann einen Medienstrom begrenzen bzw. in geeigneter Weise führen.

In einer weiteren Ausführungsform können Mittel zur Erzeugung eines Wärmestaus auf der Warmseite vorgesehen sein. Ein Wärmestau begüns- tigt eine Wärmeübertragung auf die erste Wärmeübertragereinrichtung zur Wärmezufuhr und ermöglicht somit die Erzielung eines verbesserten Wirkungsgrades.

Um eine Steuerung der Wärmeübertragung auf die erste Wärmeübertragereinrichtung zu ermöglichen, kann auf der Warmseite eine den Medien- ström begrenzende Drosseleinrichtung vorgesehen sein. Eine derartige Drosseleinrichtung kann beispielsweise als Ventil ausgebildet sein, welches geeignet ist einen Wärmestau zu erzeugen und/oder den Medienstrom zu begrenzen.

Die Drosseleinrichtung kann auch aus Hohlprofilen mit vergleichsweise hoher Wärmekapazität gebildet sein. Beispielsweise aus Metall bestehende Hohlprofile eignen sich besonders gut zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie, wobei der Wärmestrom dann durch die Hohlprofile hindurch geleitet werden kann. Auch können die Hohlprofile gegenüber der Wärmequelle exponiert sein, derart, dass eine Übertragung von Wärmeenergie auf den Medienstrom begünstigt wird.

In einer Ausführungsform einer Generatoranordnung kann zumindest eine Wärmeübertragereinrichtung um einen Verbrennungsraum angeordnet sein und die Form einer polygonalen Manschette ausbilden. So kann beispielsweise eine Wärmestrahlung erzeugende Verbrennungseinheit von einer oder mehreren Wärmeübertragereinrichtungen bzw. thermo- elektrischen Modulen umgeben sein. Eine derartige koaxiale Anordnung von Wärmeübertragereinrichtungen zu einer Wärmequelle ermöglicht eine weitere Verbesserung eines Wirkungsgrades. In einer weiteren Ausführungsform kann die Generatoranordnung ein photoelektrisches Modul zur Gewinnung von elektrischer Energie aufweisen. In Ergänzung zu dem thermoelektrischen Modul kann dann Strahlungsenergie einer beispielsweise Flamme oder der Sonne zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Grundprinzips einer Generatoranordnung in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Generatoranordnung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Generatoranordnung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Generatoranordnung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Generatoranordnung.

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausfüh- rungsform der Generatoranordnung;

Fig. 7 eine Schnittansicht eines Wärmetauscherelements entlang einer Linie VII- VII aus Fig. 6.

Die in Fig. 1 gezeigte Generatoranordnung 10 weist eine temperaturis olierte und im Wesentlichen geschlossene Prozesskammer 1 1 und eine in der Prozesskammer 1 1 befindliche Wärmequelle 12 auf. Die Prozes skammer 1 1 ist, wie mit einer gestrichelten Linie angedeutet, in eine Warmseite 13 und eine Kaltseite 14 aufgeteilt. In einem Grenzbereich zwischen der Warmseite 13 und der Kaltseite 14 sind hier vereinfacht dargestellte Peltierelemente 15 angeordnet, wobei auf der Warmseite 13 eine als Wärmetauscher 16 ausgebildete erste Wärmeübertragereinrich- tung zur Wärmezufuhr und auf der Kaltseite 14 eine ebenfalls als Wärmetauscher 17 ausgebildete zweite Wärmeübertragereinrichtung zur Wärmeabfuhr an den Peltierelementen 15 jeweils angeordnet ist. Ein durch Pfeile 18 angedeuteter Medienstrom zirkuliert zwischen der Warmseite 13 und der Kaltseite 14, wobei ein aus Luft 19 bestehendes Medium zum Wärmetransport verwendet wird. Die Luft 19 wird von der Wärmequelle 12 erwärmt, steigt durch natürliche Konvektion in der Prozesskammer 11 auf und überträgt Wärmeenergie auf den Wärmetauscher 16. Auf der Kaltseite 14 nimmt die abgekühlte Luft 19 Wärmeenergie vom Wärmetauscher 17 auf, was zur Abkühlung der Peltierele- mente 15 auf der Kaltseite 14 führt und eine Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmetauscher 16 und dem Wärmetauscher 17 erzeugt. Die von der Warmseite 13 auf die Kaltseite 14 über die Peltierelemente 15 durchgeleitete Wärmeenergie, welche vo n den Peltierelementen 15 nicht in elektrische Energie umgesetzt werden kann, geht somit nicht verloren sondern wird dem Medienstrom erneut zugeführt, wodurch ein erhöhter Wirkungsgrad der Generatoranordnung 10 erzielbar ist. Ist eine Betriebstemperatur erreicht, kann über hier schematisch dargestellte Ventile 20 und 21 ein Luftaustausch zwischen der Prozesskammer 11 und einer Umgebung 22 erfolgen. Der Luftaustausch dient einer Stabilisierung der Temperaturdifferenz zwischen der Warmseite 13 und der Kaltseite 14. Gleichzeitig kann eine Energiezufuhr durch die Wärmequelle 12 unterbunden werden. Die Temperaturisolierung der Proze sskammer 11 ist der Betriebstemperatur der Generatoranordnung 10 angepasst. Die Anzahl der Peltierelemente 15 ist abhängig von deren Wärmeleitwert, wobei der Wärmeleitwert die Art, Größe und Geometrie der Wärmetauscher 16 und 17 bestimmt . Weiter umfasst die Generatoranordnung 10 hier nicht gezeigte elektrische Leitungen zu den Peltierelementen 15 sowie Reglereinrichtungen für den Luftaustausch bzw. die Wärmequelle 12.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Generatoranordnung 23 mit einer temperaturisolierten Prozesskammer 24 sowie einem Peltiere- lement 25 mit Wärmetauschern 26 und 27 jeweils auf einer Warmseite 28 und einer Kaltseite 29. Am Peltierelement 25 ist eine Trennwand 30 zur Führung eines mit Pfeilen 31 angedeuteten Medienstroms angeordnet. Direkt unterhalb des Wärmetauschers 26 ist ein weiterer Wärmetauscher 32 angeordnet, wobei der Wärmetauscher 32 über hier schematisch angedeutete Ventile 33 und 34 mit einem flüssigen Wärmeträgermedium von einer nicht dargestellten externen Wärmequelle mit Wärmeenergie versorgt wird. Entsprechend der Pfeile 31 fördert ein Wärmeträgermedium 35 in der Prozesskammer 24 Wärmeenergie entsprechend eines in Fig. 1 beschriebenen Kreisprozesses. Ventile 36 und 37 dienen hier ebenfalls zur Aufrechterhaltung einer erwünschten Temperaturdifferenz zwischen der Warmseite 28 und der Kaltseite 29. Bei der Generatoranordnung 23 ist die Warmseite 28 ungleich kleiner als die Kaltseite 29, so dass eine Wärmeabgabe vermittels des Wärmetauschers 27 in einem Kanal großen Querschnitts erfolgt. Hierdurch stellen sich im Vergleich zur Generatoranordnung 10 aus Fig. 1 unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsrichtungen gemäß der Pfeile 31 und damit unterschiedliche Wärmeströme ein. Die unterschiedlich große Ausbildung der Warmseite 28 und der Kaltseite 29 dient insbesondere einer verbesserten Wärmeabgabe des Wärmetauschers 27 und somit der Aufrechterhaltung einer Temperaturdifferenz.

Eine weitere Ausführungsform einer Generatoranordnung 38 zeigt Fig. 3. Die Generatoranordnung 38 weist eine temperaturisolierte Prozesskammer 39 mit einer Luftauslassöffnung 40 und einer Lufteinlassöffnung 41 auf. Innerhalb der Prozesskammer 39 ist ein Peltierelement 42 mit Wärmetauschern 43 und 44 angeordnet. Unterhalb des Wärmetauschers 43 ist eine Verbrennungseinrichtung 45 und oberhalb des Wärmetau- schers 44 eine Ventilatoreinrichtung 46 angeordnet. Die von der Verbrennungseinrichtung 45 abgegebene Wärmeenergie steigt auf und erwärmt den Wärmetauscher 43, wobei nachfolgend ein Teil des Abgases die Prozesskammer 39 durch die Luftauslassöffnung 40 verlässt und ein vergleichsweise größerer Teil des Abgases, wie mit den Pfeilen 47 angedeutet, in Richtung der Ventilatoreinrichtung 46 strömt, Wärmeenergie des Wärmetauschers 44 aufnimmt und der Verbrennungseinrichtung 45 erneut zuführt. Die Ventilatoreinrichtung 46 dient dabei einer Aufrechterhaltung eines Luftstroms bzw. einer geeigneten Strömungsge- schwindigkeit, wobei durch die Lufteinlassöffnung 41 der Prozesskammer 39 vergleichsweise kalte Frischluft zugeführt wird, die den Wärmetauscher 44 kühlt und Luftsauerstoff zur Aufrechterhaltung eines Verbrennungsvorgangs der Verbrennungseinrichtung 45 dieser zuführt. Der Verbrennungsvorgang wird dabei im Wesentlichen durch den zuge- führten Luftsauerstoff beeinflusst. Die Ventilatoreinrichtung 46 wird durch das Peltierelement 42 über eine hier nicht gezeigte Steuereinrichtung mit elektrischer Energie versorgt, so dass die Generatoranordnung unabhängig von einer externen Spannungsversorgung betrieben werden kann.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform einer Generatoranordnung 48 verfügt im Unterschied zu der in Fig. 3 gezeigten Generatoranordnung über eine Verbrennungseinrichtung 49 über der ein Wärmetauscher 50 auf einer Warmseite 52 angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher 50 eine vergleichsweise kleinere Absorptionsfläche ausbildet als ein Wärmetau- scher 51 auf einer Kaltseite 53. Eine Prozesskammer 54 der Generatoranordnung 48 ist zwischen einem Peltierelement 55 und einer Wandung 56 der Prozesskammer 54 vermittels einer Trennwand 57 in die Warmseite 52 und die Kaltseite 53 unterteilt . Hohlprofile 58 durchdringen die Trennwand 57, derart, dass auf der Warmseite 52 aufsteigende Warmluft die Hohlprofile 58 durchströmt und auf die Kaltseite 53 gelangt. Die Hohlprofile 58 begrenzen daher einen hier nicht dargstellten Luftstrom von der Warmseite 52 auf die Kaltseite 53 und können gleichzeitig Wärmeenergie des Luftstroms von diesem aufnehmen bzw. an diesen abgeben, wodurch die Hohlprofile 58 als Wärmespeicher nutzbar sind. Weiter ist außerhalb der Prozesskammer 54 eine Ventilatoreinrichtung 59 angeordnet, die alleine der Zufuhr von Frischluft dient.

Eine Generatoranordnung 60 in Verbindung mit einer Verbrennungseinrichtung 61 zur Verbrennung fossiler Brennstoffe und Erzeugung von Wärmeenergie bzw. Wärmestrahlung ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Die Generatoranordnung 60 weist eine Prozesskammer 62 mit einer Auffangkammer 63 für Verbrennungsrückstände, einem Feuerungs- rost 64, einer Brennkammer 65 , einem Abgasrohr 66 sowie einem Zuluftschacht 67 auf. Ein Wärmetauscher 68 ist in Art einer Manschette in einer oberen Wärmezone 69 der Brennkammer 65 angeordnet. Der Wärmetauscher 68 ist aus einer Absorptionsfolie 70 zur Absorption von Wärmeenergie, mit der Absorptionsfolie 70 verbundenen Rohrleitungen 71 zum Austausch von Wärmeenergie mit einer hier nicht dargstellten externen Einrichtung, einem mit der Absorptionsfolie 70 verbundenen Peltierelement 72 sowie aus einer mit dem Peltierelement 72 im Zuluftschacht 67 angeordneten Ventilatoreinrichtung 73 gebildet. Bei einer Verbrennung von hier nicht dargestellten Brennstoffen in der Brenn- kammer 65 erfolgt eine Absorption von Wärmeenergie vermittels der Absorptionsfolie 70 und deren Übertragung auf das Peltierelement 72 bzw. ein Austausch von Wärmeenergie mit einer externen Einrichtung. Die für die Verbrennung benötigte Frischluft wird durch den Zuluftschacht 67 angesaugt bzw. vermittels der Ventilatoreinrichtung 73 gefördert, wobei eine Kühlung des Peltierelements 72 über einen Wärmetauscher 74 erfolgt. Die so am Peltierelement 72 erzeugte Temperaturdifferenz kann zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Ein Teil der Abluft wird, wie mit den Pfeilen 75 angedeutet, in den Zuluftschacht 67 geleitet und nach Passieren des Wärmetauschers 74 der Brennkammer 65 erneut zugeführt. Der Wirkungsgrad der Generatoranordnung wird dadurch erheblich verbe ssert. Fig. 6 zeigt eine Generatoranordnung 76 mit einer Prozesskammer 77, wobei die Prozesskammer 77 auf einer Warmseite 78 und auf einer Kaltseite 79 jeweils eine abgeschlossene Wärmetauscherkammer 80 bzw. 81 ausbildet. Zwischen den Wärmetauscherkammern 80 und 81 ist ein Peltierelement 82 mit jeweils in die Warmseite 78 und die Kaltseite 79 hineinragenden Wärmetauschern 83 bzw. 84 angeordnet. Die Wärmetauscher 83 und 84 sind aus einer Mehrzahl von im Querschnitt sternförmigen Wärmetauscherelementen 85 gebildet, wie in Fig. 7 in einer Schnittansicht dargestellt. In der Wärmetauscherkammer 81 ist weiter eine Ventilatoreinrichtung 86 angeordnet, welche einen mit Pfeilen 87 angedeuteten Luftstrom erzeugt der zur Kühlung bzw. Wärmabfuhr des Wärmetauschers 84 dient. Bevor die durch den Wärmetauscher 84 erwärmte Luft die Wärmetauscherkammer 81 verlässt, wird ein Teil der Wärmeenergie der Luft auf einen weiteren Wärmetauscher 88 übertragen. Die Wärmtauscherkammer 81 ist hingegen mit einem fluiden Wärmetauschermedium 89 befüllt. Eine Erwärmung des Wärmetauschermediums 89 erfolgt vermittels eines solarthermischen Kollektors 90, welcher über Rohre 91 und 92 mit der Wärmetauscherkammer 80 verbunden ist und in dem das Wärmetauschermedium 89 vermittels Sonnenstrahlung 93 erwärmt werden kann. Der Wärmetauscher 88 ist ebenfalls über Rohre 94 und 95 an die Wärmetauscherkammer 80 angeschlossen. Hier nicht dargestellte Pumpen und Ventile ermöglichen eine Zirkulation des Wärmetauschermediums 89 innerhalb der Prozesskammer 77 durch den Wärmetauscher 88, die Wärmetauscherkammer 80 und den solarthermi- sehen Kollektor 90, bei dem System Wärmeenergie zugeführt und von der Kaltseite 79 auf die Warmseite 78 vermittels des Wärmetauschers 88 übertragen wird. Weiter wirkt sich durch die hier gezeigte Anordnung der Wärmetauscherelemente 85 in senkrechter Einbaulage der thermische Auftrieb positiv aus und erhöht die, für einen Wärmedurchgang erforder- liehe Wärmespannung und damit die durch das Peltierelement 82 gewinnbare elektrische Energie. Dadurch können relativ niedrige Temperaturen von Wärmeträgermedien im Anwendungsbereich der Solarthermie effektiver als bisher genutzt und in elektrischen Strom umgewandelt werden.

Claims

23. April 2008 SOR-003-WO Tap/ScuPatentansprüche

1. Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie, mit einer Wärmequelle (12, 90), einer Prozesskammer (11, 24, 39, 54, 62, 77) und einem in einem Grenzbereich zwischen einer Warmseite (13, 28, 52, 78) und einer Kaltseite (14, 29, 53, 79) der Prozesskammer angeordneten thermoelektrischen Modul (15, 25, 42, 55, 72, 82), wobei am thermoelektrischen Modul eine erste Wärmeübertragereinrichtung (16, 26, 43, 50, 68, 83) zur Wärmezufuhr und eine zweite Wärmeübertragereinrichtung (17, 27, 44, 51, 74, 84) zur Wärmeab- fuhr angeordnet ist, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass ein Medienstrom zwischen der Warm- und der Kaltseite zirkuliert, wobei dem Medienstrom Wärmeenergie der Wärmequelle und der zweiten Wärmeübertragereinrichtung zugeführt wird und auf die erste Wärmeübertragereinrichtung übertragen wird, wobei das thermoelektrische Modul aus einer so erzeugten Temperaturdifferenz elektrische Energie gewinnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g ek e n n z e ich n e t, dass ein Luftaustausch zwischen der Prozesskammer (11, 24, 39,

54, 62, 77) und einer Umgebung (22) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass eine Luftzufuhr zur Erzeugung einer gleichmäßigen Tempera- turdifferenz zwischen der Warmseite (13, 28, 52, 78) und der Kaltseite (14, 29, 53, 79) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass eine Luftzufuhr alleine zur Beeinflussung eines Verbrennungsvorgangs in der Prozesskammer (11, 39, 54, 62) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass als Wärmequelle (12) Verbrennungswärme genutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e ke n n z e i c h n e t, dass als Wärmequelle (12) Abwärme einer Anlage genutzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass als Wärmequelle (12, 90) Strahlungswärme der Sonne genutzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass eine Wärmeerzeugung in der Prozesskammer (11, 39, 54, 62) erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass eine Wärmeerzeugung außerhalb der Prozesskammer (11, 24) erfolgt und als Wärmequelle (12) eine dritte Wärmeübertragerein- richtung (32) genutzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass der Medienstrom in der Prozesskammer (39, 54, 62) zumin- 3

dest teilweise vermittels eines Ventilators (46, 59, 73) erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Medienstroms auf der

Warmseite (28) größer ist als auf der Kaltseite (29).

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass ein Austausch von Wärmeenergie der Wärmeübertragerein- richtung (16, 17, 25, 26, 32, 43, 44, 50, 51, 68, 74) mit einer externen Einrichtung vermittels eines flüssigen Mediums erfolgt.

13. Generatoranordnung (10, 23, 38, 48, 60, 76) zur Gewinnung elektrischer Energie, mit einer Wärmequelle (12, 90), einer Prozesskammer (11, 24, 39, 54, 62, 77) und einem in einem Grenzbereich zwischen einer Warmseite (13, 28, 5, 78) und einer Kaltseite (14,

29, 53, 79) der Prozesskammer angeordneten thermoelektrischen Modul (15, 25, 42, 55, 72, 84), wobei am thermoelektrischen Modul eine erste Wärmeübertragereinrichtung (16, 26, 43, 50, 68, 83) zur Wärmezufuhr und eine zweite Wärmeübertragereinrichtung (17, 27, 44, 51, 74, 84) zur Wärmeabfuhr angeordnet ist, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass die Wärmeübertragereinrichtungen derart angeordnet sind, dass ein Medienstrom zwischen der Warm- und der Kaltseite zirkulieren kann, wobei dem Medienstrom Wärmeenergie der Wärme- quelle und der zweiten Wärmeübertragereinrichtung zuführbar und auf die erste Wärmeübertragereinrichtung übertragbar ist.

14. Generatoranordnung nach Anspruch 13, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass die erste und/oder die zweite Wärmeübertragereinrichtung (68) eine Absorptionsfolie (70) zur Aufnahme bzw. Abgabe von Wärmeenergie aufweist.

15. Generatoranordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (11, 24, 39, 54, 62, 77) wärmeisoliert ist.

16. Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Warmseite (13, 28, 54, 78) eine Wärmespeichereinrichtung vorgesehen ist.

17. Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Wärmeübertragereinrichtungen (14, 17, 25, 26, 32, 43, 44, 50, 51, 68, 74, 83, 84) bzw. die Wärmequelle (12) zum Austausch von Wärmeenergie mit einer externen Einrich- tung ausgebildet ist.

18. Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmeübertragereinrichtung (17, 27, 44, 51, 74) eine vergleichsweise größere Absorptionsfläche als die erste Wär- meübertragereinrichtung (16, 26, 43, 50, 68) aufweist.

19. Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (30) zur Führung des Medienstroms vorgesehen sind.

20. Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch g eke n n z e i ch n e t, dass zwischen der Warmseite (52) und der Kaltseite (53) eine zumindest teilweise mediendurchlässige Trennwand (57) vorgesehen ist.

21. Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung eines Wärmestaus auf der Warmseite vorgesehen sind.

22. Generatoranordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Warmseite eine den Medienstrom begrenzende Drosseleinrichtung vorgesehen ist.

23. Generatoranordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung aus Hohlprofilen (58) mit vergleichsweise hoher Wärmekapazität gebildet ist.

24. Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeich net, dass zumindest eine Wärmeübertragereinrichtung (68) um einen

Verbrennungsraum (69) angeordnet ist und die Form einer polygonalen Manschette ausbildet.

25. Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoranordnung ein photoelektrisches Modul zur Gewinnung von elektrischer Energie aufweist.