THERMISCHER TRANSMITTER ZUR ENERGETISCHEN NUTZUNG VON WÄRMESTRAHLUNGEN UND KONVEKTION
TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie unter gleichzeitiger Nutzung der akkumulierten Wärme.
Insbesondere betrifft die vorliegende Anmeldung einen thermischen Transmitter zur energetischen Nutzung von Wärmestrahlungen und Konvektion.
Stand der Technik
Auf der Suche nach effektiver Nutzung von
Energiequellen sind die Wärmequellen Sonne, Erde und die sekundären Wärmequellen aus allen möglichen technischen und natürlichen Prozessen immer stärker in den Fokus wissenschaftlich-technischer Untersuchungen und Entwicklungen gelangt.
In zahlreichen Verfahren wird die Nutzung von Solarenergie und anderer Wärmequellen beschrieben.
Allen gemeinsam ist zurzeit noch der geringe Wirkungsgrad, insbesondere der elektrischen Energieerzeugung. Als Wirkungsgrad betrachtet man das Verhältnis der nutzbaren zur eingesetzten Energie.
Zur Illustration
Herkömmliche Glühbirnen/Glühlampen verwandeln etwa 3 bis 4 % der eingesetzten Energie in Licht, Photovoltaikanlagen bzw. Solarzellen erreichen derzeit einen Wirkungsgrad von 11 bis 17 %, thermische Solaranlagen können zwischen 25 und 40 % der Sonnenstrahlung umwandeln. Ähnliche Verhältnisse stellen sich auch bei der Nutzung der Erdwärme oder der Sekundärenergie (Abwärme aus technischen Prozessen) dar.
Als nutzbare Energiequellen stehen im Sinne der Patentbeschreibung die Solarenergie mit ihrer Wärmestrahlung die Erdwärme im Sinne der Geothermie sekundäre Kreisläufe der Technik (Abwärme) zur Verfügung. Allen Prozessen ist gemeinsam, dass die verfügbare Wärmeenergie über Wärmetauscher oder Wärme- Kraftkopplung auf ein höheres nutzbares Energieniveau angehoben werden.
z.B. Funktion einer thermischen Solaranlage zur Nutzung als Wärmeenergiequelle
Herzstück einer thermischen Solaranlage ist der Kollektor. Die am weitesten verbreitete Bauform eines Kollektors, der Flachkollektor, besteht aus einem selektiv beschichteten Absorber (überwiegend aus Metall) , der zur Absorption („Aufnahme") der einfallenden Sonnenstrahlung und ihrer Umwandlung in Wärme dient. Zur Minimierung von
thermischen Verlusten wird dieser Absorber in einen wärmegedämmten Kasten mit transparenter Abdeckung (meistens Glas) eingebettet.
Der Absorber wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit (üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und ökologisch unbedenklichem Frostschutzmittel) durchströmt, die zwischen Kollektor und Warmwasserspeicher zirkuliert.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades werden diese Absorber mit speziellen Beschichtungen versehen.
Beschreibung dieser bisherigen Beschichtungen
Absorberschichten
Um eine möglichst hohe Absorption der Sonnenenergie zu erreichen, ist die der Sonne zugewandte Oberfläche des Absorbers entweder schwarz eingefärbt oder mit einer speziellen Beschichtung versehen, die selektiv wirkt, das heißt die von außen kommende kürzerwellige Sonnenenergie möglichst gut aufnimmt (Absorption) und die längerwellige Wärmeenergie des Absorbers nur schlecht abgibt.
Moderne Beschichtungen haben meist eine bläulichschimmernde Farbe. Sie erreichen mit 91 bis 96 Prozent Absorption ähnlich hohe Werte wie die früher überwiegend verwendete (schwarz schimmernde) Schwarzchrom-Beschichtung, jedoch zugleich deutlich niedrigere Emissionswerte, verlieren also weniger Wärme durch Abstrahlung. Dadurch erreichen sie insgesamt deutlich höhere Leistungswerte als nur schwarz lackierte Absorber, aber auch mess- und spürbar höhere Werte als Schwarzchrom-beschichtete Absorber.
Der Absorber soll direkte und diffuse Sonnenstrahlung möglichst gut auffangen und in Wärme umwandeln (Absorption) . Zugleich soll er möglichst wenig Wärme wieder in Form von Strahlung abgeben (Emission) . Zudem muss er selber langfristig hitze- und UV-beständig sein.
In heißen Ländern werden häufig Absorber eingesetzt, die lediglich mit so genanntem Solarlack „beschichtet" sind. Dieser Solarlack ist sehr hitzebeständig und in der Regel schwarz, um so bestmögliche Absorptionswerte für Sonnenstrahlung zu erreichen. Zugleich sind aber auch die Emissionswerte im mittleren Infrarot sehr hoch - ein Teil der eingefangenen Wärme wird daher wieder abgestrahlt.
Um die Energieverluste zu minimieren, wird daher eine sog. hoch-selektive Beschichtung der Kollektoren eingesetzt. Damit werden Absorptionswerte von ca. 94 % für das Sonnenlicht (0,4 bis 0,8 μm Wellenlänge) und Emissionswerte von weniger als 6 % für die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers reemittierte Strahlung (Infrarot mit Wellenlängen um 7,5 μm) erreicht.
Eine der ersten Beschichtungen mit selektiver Absorption, die serienmäßig hergestellt werden konnte, war die so genannte Schwarz"Chrom"-Beschichtung. Sie wurde in einem galvanischen Verfahren auf das aus Kupfer oder Aluminiumbestehende Absorberblech aufgebracht. Sehr vereinfacht gesagt besteht sie aus mikroskopischen Chromhärchen, die das Sonnenlicht zwischen sich einfangen, jedoch aufgrund ihrer geringen Größe bei größeren Wellenlängen wenig emittieren.
Bis etwa war die Schwarzchrom-Beschichtung marktbeherrschend. Mittlerweile erlauben aber neuere Beschichtungen nicht nur höhere Wirkungsgrade, sondern gelten - vor allem wegen des Verzichts auf galvanische Prozesse - auch unter Produktions- und -Aspekten als umweltfreundlicher. Eine inzwischen nicht mehr auf dem Markt verfügbare Alternative zu Schwarzchrom war eine - ebenfalls aufgebrachte - Nickelbeschichtung („Schwarznickel") .
Am verbreitetsten ist heute eine aufgesputterte Schicht auf Titanbasis mit blauer Farbe, die gegenüber Schwarzchrom zwar leicht schlechtere Absorptionswerte
aufweist, aber dafür deutlich niedrigere Emissionswerte und damit insgesamt einen besseren Wirkungsgrad erreicht. Die ersten serienreifen Beschichtungen dieser Art wurden in Form von Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen in Deutschland entwickelt und von der Fa. TiNOX auf den Markt gebracht. Theoretisch sind bei dieser Beschichtung je nach Schichtaufbau auch andere Farben möglich; diese erreichen aber bisher keine vergleichbaren Leistungswerte.
Eine weitere Entwicklung der späten 90-er Jahre ist die "Sunselect"-Beschichtung des Glas- und Beschichtungsherstellers Interpane, eine Keramik-Metall- Struktur (vermutlich ebenfalls auf Titan-Basis), die wie die Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen im Vakuum-Sputter- Verfahren aufgebracht wird und ebenfalls schwarzbläulich schimmert .
Beide Beschichtungen lassen sich bisher nur auf Absorberblechen aus Kupfer aufbringen; entsprechende Techniken für Aluminiumabsorber sind erst seit kurzem auf dem Markt. Auch diese Aluminiumabsorber verwenden jedoch zur Wärmeabführung mittels der „Solarflüssigkeit" eine Verrohrung aus Kupfer, die per Laser-Schweißverfahren mit dem Absorber verbunden wird.
Neben der Beschichtung unterscheiden sich Absorber verschiedener Hersteller auch in ihrem prinzipiellen Aufbau. Häufig sind Vollflächenabsorber, die aus einem einzigen Absorberblech bestehen, anzutreffen. Die Verrohrung ist bei diesen Serpentinen- bzw. mäanderartig oder in Harfenform auf der Rückseite aufgelötet oder - geschweißt. Daneben gibt es Streifenabsorber, die aus einzelnen Finnen bestehen, etwa 10-15 cm schmalen Streifen, auf deren Rückseite jeweils ein dünnes Rohr aufgeschweißt ist. Die Finnen werden dann an beiden Enden in ein Sammelrohr eingelötet, so dass eine Art „Harfe" entsteht. Eine dritte Bauform sind die Kissenabsorber. Wie Vollflächenabsorber bestehen sie aus einem einzigen
durchgehenden Absorberblech, auf das aber rückseitig statt einer Rohrleitung ein pressgeformtes zweites Blech aufgebracht ist. Die Wärmeträgerflüssigkeit strömt zwischen diesen beiden Blechen.
Grundsätzlich weisen Vollflächenabsorber die besten Leistungswerte auf. Da anfangs die Hersteller der neuen hochselektiven Beschichtung nur Kupferbleche verarbeiten konnten, die eine bestimmte Breite nicht überschritten, werden vor allem in älteren Kollektormodellen noch überwiegend Absorberfinnen eingesetzt. Inzwischen sind Absorberbleche in Breiten bis 1200 mm erhältlich, was eine große Flexibilität in der Absorbergeometrie ermöglicht. Im Unterschied dazu erlauben Absorberfinnen ausschließlich die Verrohrung in Harfenform, andererseits lassen Finnen auf einfacherem Wege Anpassungen an die Dachform zu (maßgeschneiderte Kollektoren) .
Der dargelegte Stand der Technik weist hier bereits ein hohes Maß an Gestehungskosten aus.
Thermische Solaranlagen werden über einen Solarregler in Betrieb genommen. Sobald die Temperatur am Kollektor die Temperatur im Speicher um einige Grad übersteigt, schaltet die Regelung die Solarkreis-Umwälzpumpe ein und die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert die im Kollektor aufgenommene Wärme in den Wärmetauscher, um in einem Warmwasserspeicher die erzeugte Wärmenergie zu nutzen.
Nach dem gleichen Prinzip funktionieren auch alle anderen alternativen nutzbaren Energiequellen.
Es wird also vorhandene Wärmeenergie eingesammelt und über einen Wärmetauschermedium nutzbar gestaltet, d.h. thermische Energie wird auf ein höheres Energieniveau gebracht, bleibt aber letztendlich thermische Energie.
Die Erzeugung von Elektroenergie aus diesen alternativen Energiequellen ist gekennzeichnet durch einen niedrigen Wirkungsgrad.
Historisch sehr lange bekannt sind Thermoelemente.
Thermoelemente bilden sich immer an der Stelle, an der zwei unterschiedliche Metalle elektrisch leitend verbunden sind. An dieser Verbindungsstelle entsteht eine temperaturabhängige Kontaktspannung, der so genannte Seebeck-Effekt. Diese Kontaktspannung (Thermospannung) hängt von den beiden Metallen und der Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle (Messstelle) und den offenen Enden (Anschlussstelle) ab.
Diese Enden müssen mit gleichem (Thermoleitung) oder mit Metallen die gleichen thermoelektrischen Eigenschaften (Ausgleichsleitung) haben, wie die Thermoelementdrähte bis zu einer Zone bekannter Temperatur, der Vergleichsstelle verlängert werden.
Diese Elemente werden als Messfühler verwandt. Eine energetische Nutzung der Thermospannung ist denkbar wurde auch schon hinreichend beschrieben, scheitert letztendlich aber am Wirkungsgrad. Eine Illustration ist in Figur 1 gegeben .
Der Peltier-Effekt ist die Umkehrung des Seebeck- Effekts und soll im Sinne der Patentbeschreibung genutzt werden. Fließt ein elektrischer Strom durch zwei hintereinander geschaltete Kontaktstellen zweier verschiedenen Halbleiter oder Leiter, so wird an dem einen Schenkel Wärmeenergie aufgenommen und am anderen Schenkel Wärmeenergie abgegeben. Das Schema eines Peltier-Elements ist in Figur 2 wiedergegeben. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass bei einem kontinuierlichen Wärmefluss durch die jeweiligen Kontaktstellen oder auch Schenkel des Halbleiterelements elektrischer Strom erzeugt wird.
Das Gebrauchmuster DE 20 2007 005 127 Ul versucht die Nutzung des Peltierelementes als technisch effektiv darzustellen. Hierbei geht das Gebrauchsmuster von einem warmen strömenden Medium in einer Doppelmantelröhre aus, in dessen Zentrum sich eine kühlere Flüssigkeit befindet;
getrennt durch einen Ring von Halbleiterblockelementen, die nach dem Peltier-Seebeck-Effekt dotiert sind. Die Gebrauchsmusterschrift geht ausschließlich von einer Methode der Umwandlung von thermischer in elektrische Energie im geschlossenen Kreislauf aus.
Das Gebrauchsmuster verschweigt, woher die Wärmeenergie kommt und wie die Energiebilanz aussieht. Folglich stellt die Beschreibung energetisch einen reinen Stromerzeuger dar, vergleichbar mit einem Kohlekraftwerk, in dem Kohle verbrannt wird, um Wärmeenergie zu erzeugen und hieraus wiederum elektrischen Strom zu erzeugen.
Weiterhin verschweigt die Gebrauchmusterschrift, dass für eine energetische Nutzung nach dem Seebeck-Peltier- Effekt zwingend ein Wärmefluss durch das Peltierelement erforderlich ist und dieser in seiner effizienten Nutzung vom bestehenden Temperaturgradienten abhängig ist.
Im Gegensatz zu der Gebrauchsmusterbeschreibung werden in der vorliegenden Erfindung alternative Energiequellen herangezogen, die als Energiespender verfügbar sind. Diese sind
• Solar-,
• Geo- und
• sekundäre Thermiequellen .
Eine weitere technische Abgrenzung zum beschriebenen Gebrauchsmusterschutz entsteht aus dem technischen Lösungsansatz. Das beschriebene System basiert auf einem durchströmten Doppelmantel und ist auf diese geometrische Gestaltung letztendlich fixiert. Die vorliegende erfindungsgemäße Lösung ist deutlich weitgehender und gestattet eine absolut geometrisch freie Formgestaltung, so dass der Thermogenerator den jeweiligen technischen Erfordernissen frei geometrisch angepasst werden kann.
Weiterhin zielt die erfindungsgemäße Lösung auf die Nutzung der Wärmequelle zur Elektroenergiegewinnung und der weiteren Nutzung der vorhandenen Wärmeenergie ab.
So kann als signifikanter Unterschied zum Stand der Technik herausgearbeitet werden, dass die technische Lösung des Gebrauchsmusters ein reiner Energiewandler von Wärme in Elektroenergie ist, wohingegen die erfindungsgemäße Lösung ein System zur Nutzung von alternativen Energiequellen darstellt, die verfügbar sind, um Elektro- und Wärmeenergie gleichermaßen erzeugen, ohne eine künstliche Energiequelle als Wärmespender zu benutzen.
Bekannt für die Erzeugung von Elektroenergie sind weiterhin die Photovoltaikanlagen, die speziell das UV - Spektrum des Sonnenlichtes nutzen. Zurzeit werden entsprechende Photovoltaikanlagen entwickelt, die aber über den bereits genannten Wirkungsgrad 11 bis 17 % bisher nicht hinausgekommen sind. Besonders nachteilig erweisen sich die hohen Gewichte der Solarelemente, die Kostenhöhe und die mitunter störende Ästhetik.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator nach jedem einzelnen der Patentansprüche 1 bis 18 sowie seine Verwendungen nach jedem einzelnen der Patentansprüche 19 bis 22.
Die Erfindung betrifft unter anderem ein thermisches Verschlusselement bestehend aus einem lösungsmittelfreien frei formbaren flüssigen Kunststoff auf der Basis eines hydoxylen und / oder aminofunktionellen Reaktionspartners für Isocyanate, , wobei der lösungsmittelfreie Beschichtungsstoff aus zwei reaktiven Komponenten gebildet ist, wobei die Komponente A aus einem aliphatischen Isocyanat und / oder dessen Abmischungen besteht und die Komponente B aus einem Anteil von 80 bis 99 % mit der Komponente A vernetzbaren Bindemittels auf der Basis eines hydoxylen und / oder aminofunktionellen Reaktionspartners und / oder deren Abmischungen besteht, wobei die Komponente
B einen Anteil von maximal 10 % thermochrome Pigmente, 0 % bis 7 % Stabilisatoren und 0 % bis 3 % Hilfsstoffe enthält.
Dieses thermische Verschlusselement ist bevorzugt eines, bei dem der Komponente B zusätzlich nanoskalierbare Füllstoffe in Pulverform und / oder in Form einer Dispersion zugegeben werden, welche spezifische Eigenschaften im Beschichtungsstoff ausbilden, die nach Aushärtung eine Veränderung der Oberflächenhärte, der Abrasivität und / oder der UV-Stabilität bewirken, und / oder der Erzielung von Oberflächeneffekten und dem Erreichen einer fungiziden bzw. einer Antifouling - Wirkung dienen .
Die Erfindung betrifft weiter einen thermischen Akkumulator bestehend aus einem lösungsmittelfreien frei formbaren flüssigen Kunststoff auf der Basis eines hydoxylen und/oder aminofunktionellen Reaktionspartners für Isocyanate, wobei der lösungsmittelfreie Beschichtungsstoff aus zwei reaktiven Komponenten gebildet ist, wobei die Komponente A aus einem aliphatischen Isocyanat und/oder dessen Abmischungen besteht und die Komponente B aus einem Anteil von 65 % bis 98 % mit der Komponente A vernetzbaren Bindemittels auf der Basis eines hydoxylen und / oder aminofunktionellen Reaktionspartners und / oder deren Abmischungen besteht, wobei die Komponente B einen Anteil von 0.00025 % bis 5 % funktionalisierte und / oder nicht funktionalisierte Carbonnanotubes, 0 % bis 20 % von nanoskalierbaren Füllstoffen und/oder eine Dispersion von nanoskalierten Füllstoffen in Form von Primärteilchen in der Größe von 1 nm bis 10 nm, 0 % bis 7 % Stabilisatoren und 0 % bis 3 % Hilfsstoffe enthält und der Energieeintrag mittels Ultraschall im Leistungsbereich von mindestens 500 Ws/ml erfolgt.
Dieser thermische Akkumulator ist bevorzugt einer, bei dem die Komponente A zusätzlich eine Vorvernetzung des Bindemittels bewirkendes silanisierte und / oder aminische
Isocyanate enthält und der Energieeintrag mittels Ultraschall im Leistungsbereich von mindestens 500 Ws/ml erfolgt .
Der thermische Akkumulator ist bevorzugt einer, bei dem die der Komponente B zugegebenen nanoskalierbaren Füllstoffe und / oder in Form einer Dispersion von nanoskalierten Füllstoffen spezifische Eigenschaften im Kunststoff ausbilden, die nach Aushärtung eine Veränderung (Verbesserung) der Oberflächenhärte, der Abrasivität, der UV-Stabilität, die Steigerung der thermischen Leitfähigkeit bewirken, und der Erzielung von Oberflächeneffekten wie der direkten Kopplung zum gesamten Infrarotspektrum im Bereich von 780 nm bis 1 mm Wellenlänge dienen.
Zudem ist der thermische Akkumulator bevorzugt einer, bei dem als Additiv zur UV-Stabilisierung ein blockierter aminischer Lichtstabilisator eingesetzt wird.
Weiter ist der thermische Akkumulator bevorzugt einer, bei dem als Flammschutzmittel nanoskalierbare Knochenasche und deren Abmischungen eingesetzt werden und der Energieeintrag mittels Ultraschall im Leistungsbereich von mindestens 500 Ws/ml erfolgt.
Zusätzlich ist der thermische Akkumulator einer, bei dem in dem lösungsmittelfreien frei formbaren flüssigen Kunststoff zur Unterstützung der Verarbeitbarkeit des Beschichtungsstoffes als Hilfsstoffe zur Entlüftung und Entschäumung chemische Zuschlagsstoffe mit einer Affinität zu Gasen und / oder ein das Haftvermögen an einer Formwandung minderndes internes oder externes Trennmittel verwendet werden, die einen thixotropen Einfluss und / oder den Feuchtigkeitsgehalt mindernden Charakter in der reaktiven Komponente B bewirken.
Die Erfindung betrifft zudem einen thermischen Transmitter als Matrix von Halbleiterchips, die nach dem Peltier-Seebeck-Effekt dotiert sind, geometrisch frei zwischen einem thermischen Akkumulator und einem
thermischen Diffusor zur Erzeugung von Elektroenergie bzw. der Energiewandlung von thermische und elektrische Energie angeordnet sind, wobei der thermischer Transmitter zwangsweise zwischen Wärmequelle und Wärmesenke angeordnet ist und ansonsten absolute gestalterische Freiheit besteht.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen thermischen Diffusor, welcher ein metallischer oder nichtmetallischer Wärmeleiter ist, der das erfindungsgemäße thermische Verschlusselement und / oder den erfindungsgemäßen thermischen Akkumulator umfasst, und der pulsartig gekühlt wird.
Dieser thermischer Diffusor ist bevorzugt einer, welcher als pulsartige Kühlung ein Kühl-System nach dem Stemke-System umfasst.
Die Erfindung betrifft einen thermischen Generator nach dem thermoelektrischen Prinzip, wobei ein zwangsweise hoher thermischer Fluss (thermomotorische Kraft - TMK) durch einen nach dem Peltier-Seebeck-Effekt aufgebauten Halbleiterchip realisiert wird.
Dieser thermische Generator umfasst bevorzugt: einen erfindungsgemäßen thermischen Akkumulator, einen erfindungsgemäßen thermischen Transmitter, einen erfindungsgemäßen thermischen Diffusor erfindungsgemäßen, und optional ein erfindungsgemäßes thermisches Verschlusselement .
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur
Herstellung und Verarbeitung eines lösungsmittelfreien frei formbaren flüssigen Kunststoff auf der Basis eines hydoxylen und / oder aminofunktionellen Reaktionspartners für Isocyanate, wobei dem Bindemittel als Komponente B die nanoskalierbaren Füllstoffe, dann mindestens ein Additiv und mindestens ein Hilfsstoff zugemischt wird und der Energieeintrag mittels Ultraschall im Leistungsbereich mindestens 500 Ws/ml erfolgt, und dann zur Verarbeitung vor
dem Versprühen im Sprühverfahren unter Druck durch die Komponente B nach dem Injektorprinzip die Komponente A der Komponente B als Vernetzungsmittel zugeführt wird und dabei beide Komponenten homogenisiert werden und anschließend mittels hochpräziser Kolbendosieranlagen oder ähnlichen Anlagen mit mechanisch selbstreinigenden Sprühmischköpfen eine Feinstverteilung des Beschichtungsstoffes mit sehr wenig Overspray erzielt und auf die vorgesehene Formwandung aufgetragen wird und dort in kurzer Zeit zu einem Polyurethan oder Polyurea polymerisiert .
Dieses Verfahren ist bevorzugt eines, bei dem in dem lösungsmittelfreien frei formbaren flüssigen Kunststoff zur Unterstützung der Verarbeitbarkeit des Beschichtungsstoffes als Hilfsstoffe zur Entlüftung und Entschäumung chemische Zuschlagsstoffe mit einer Affinität zu Gasen und / oder ein das Haftvermögen an einer Formwandung minderndes internes oder externes Trennmittel verwendet werden, die einen thixotropen Einfluss und / oder den Feuchtigkeitsgehalt mindernden Charakter in der reaktiven Komponente B bewirken .
Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung des erfindungsgemäßen thermischen Generators als Geothermiesonde, zur Energieumwandlung von sekundärer Energie, für unabhängige Stromversorgungen in netzfreien Gebieten und / oder zur gleichzeitigen Gewinnung von Wärmeenergie im Verhältnis von ca. 3 : 1 zur elektrischen Energie .
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Figur 1 schematische Darstellung eines Thermoelements
Figur 2 schematische Darstellung eines Peltier-Elements
Figur 3 Prinzip eines erfindungsgemäßen Thermogenerators
Figur 4 Prinzip der Kühlung -- Wärmepumpe
Figur 5 Prinzip der Miniaturkühlung
Figur 6 Schematische Darstellung einer Dachanwendung
Figur 7 Elektrische Kontaktierung der Thermogates
Figur 8 Blockschaltbild des Gesamt-Kreislaufes
TECHNISCHE LÖSUNG DER ERFINDUNG
Das thermomotorische Prinzip
Die direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie wird als thermomotorisches Prinzip bzw. thermomotorische Kraft (TMK) definiert und die erfinderische Höhe ergibt sich aus der Kombination mehrer bekannter und neuer Erkenntnisse. Als thermomotorischen Kraft (TMK) wird der zwangsweise thermische Energiefluss durch ein halbleitendes Peltier-Element begründet, in dessen Zentrum der thermische Transmitter steht und die umfassende Energienutzung über einen gesteuerten Temperaturgradienten erfolgt.
Beschrieben wird ein Thermogenerator (TEG) , der ein breites Spektrum an Infrarotstrahlung absorbieren kann, diese bündelt und durch ein Thermogate zur Stromerzeugung leitet. Anschließend steht die Infrarotstrahlung in einer Wärmesenke zur weiteren energetischen Nutzung zur Verfügung .
StrahlungsSpektrum
Als Wärmestrahlung bezeichnet man einen Teil der Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) , welche wiederum ein Teil der optischen Strahlung und damit Teil des
elektromagnetischen Spektrums ist. Sie schließt sich in Richtung größerer Wellenlängen an das sichtbare Licht an. Ihr Wellenlängenbereich reicht von 780 nm bis 1 mm. Infrarotstrahlung wird unterteilt in die kurzwellige IR-A- Strahlung mit einem Wellenlängenbereich von 780 bis 1400 nm, die IR-B-Strahlung (1400 bis 3000 nm) und den langwelligen Teilbereich, die IR-C-Strahlung, (3000 nm bis 1 mm) .
Das Prinzip des Thermogenerators ist in Figur 3 dargestellt .
Der Thermogenerator besteht aus: einem thermischen Verschlusselement (optional), einem thermischen Akkumulator, einem thermischen Transmitter und einem thermischen Diffusor.
Der thermische Akkumulator besteht aus einer dotierten Polymermatrix, die aus einem aliphatischen Isocyanat und einem hydroxylgruppenhaltigen und/oder aminofunktionellen Reaktionspartner hergestellt wird. Er stellt die Funktionen des thermischen Kopplers und thermischen Leiters sicher.
Die thermische Kopplung innerhalb der Polymermatrix erfolgt beispielsweise mit IR-absorbierenden Pigmenten, wie z.B. Minatec® 230 A-IR und/oder nanoskaligen Boriden und/oder ähnlichen nanoskaligen kristallinen Werkstoffen, die als Elektronenspender dienen. Dies sind z.B. plättchenförmige Glimmerpartikel, welche mit einer antimonhaltigen Zinnoxid-Schicht überzogen sind bzw. modifizierte Titandioxid - Nanopartikel, die als Elektronenspender agieren und eine starke Absorption infraroter Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1 mm ermöglichen.
Der thermische Leiter hat die Aufgabe, innerhalb der Polymermatrix die Wärmeleitung sicherzustellen. Zu diesem Zweck werden Carbonnanotubes (CNT) in die Polymermatrix eingearbeitet. Die Wärmeleitfähigkeit der CNT ist mit
6000 W/(m-K) doppelt so hoch wie die Wärmeleitfähigkeit von Diamant und sichert den stabilen Wärmefluss zum Thermogate. Die CNT' s werden in einem speziellen Dispergierverfahren in der Matrix stabilisiert.
Zusammensetzung des thermischen Akkumulators
Der thermische Akkumulator besteht aus einem Zweikomponenten-Beschichtungsstoff, welcher umfasst:
Komponente A: aliphatisches Isocyanat und/oder dessen Abmischungen
Komponente B: mit Komponente A vernetzbares Bindemittel bestehend aus:
65 bis 98 % Bindemittel auf der Basis eines hydroxylgruppenhaltigen und/oder aminofunktionellen Reaktionspartners und/oder deren Abmischungen
0 bis 20 % Minatec® 230 A-IR und/oder eines vergleichbaren Stoffes gemäß Beschreibung
0 bis 5 % Carbonnanotubes
0 bis 7 % Stabilisatoren
0 bis 3 % Hilfsstoffe
Herstellungsbeispiel 1
Im Ansatzbehälter werden bis zu 35% aminofunktionelles Bindemittel vorgelegt. Diesem Ansatz werden die Pigmente, Füllstoffe und Additive zugegeben und gemischt. Durch geeigneten Energieeintrag in dieses System (z.B. Rührwerksmühle, Ultraschallgeber) werden die entsprechenden Primärteilchen erzeugt. Danach werden die restlichen Bindemittelkomponenten zur 100 % - Basis zugegeben und gemischt. In Abhängigkeit der eingesetzten Pigmente, Füllstoffe und Additive sind die notwendigen Temperaturparameter zu beachten. Ansonsten kann der Fachmann die Auswahl auf Grund des allgemein bekannten
Standes der Technik gegebenenfalls nach Durchführung geeigneter Versuchsreihen treffen.
Je nach Anwendungsgebiet des Thermogenerators können dem thermischen Akkumulator rezepturseitig noch nanoskalige und/oder nanoskalierbare Rohstoffe zur Verbesserung der UV- Stabilität, zur Erhöhung der Oberflächenhärte und damit der Abrasivität oder auch Additive zum Schutz vor Vermoosung zugesetzt werden.
Die Erzeugung der Nanopartikel bzw. die Vereinzelung und Homogenisierung der CNT' s erfolgt über Energieeintrag mittels Ultraschall im Bereich von 500 bis 2000 W.
Mit dem erfindungsgemäßen thermischen Akkumulator ist eine Ankopplung/Absorption der IR-Strahlung und die Weiterleitung zum Thermogate zu größer 90 % sichergestellt.
Oberflächenform des thermischen Akkumulators
Die äußere Oberfläche des thermischen Akkumulators kann frei gestaltet oder ausgebildet werden, z.B. in Form von Mikrokalotten, um eine möglichst streuungsfreie Absorption der Wärmestrahlung zu erreichen. Gleichzeitig soll die Oberflächengestaltung die erneute Emission der Wärmestrahlung verhindern. Für bestimmte Anwendungen kann es sinnvoll und nützlich sein, ein thermisches Verschlusselement an der Oberfläche zu integrieren.
Dieses thermische Verschlusselement ermöglicht eine temperaturgeführte Öffnung der Oberfläche des thermischen Akkumulators. Zur Realisierung dieses thermischen Verschlusselements wird ebenfalls ein Polymer eingesetzt, wie es bereits beschrieben wurde. Jedoch werden in dieser Formulierung die thermischen Funktionswerkstoffe durch thermochrome Pigmente ersetzt, welche in Abhängigkeit von der Außentemperatur eine reversible
Aggregatzustandsänderung durchlaufen und somit die thermische Kopplungsschicht freigeben oder auch verdecken. Dadurch wird gespeicherte Energie im System erhalten und
kann auch nach einem Abfall der Außentemperatur noch genutzt werden.
Das thermische Verschlusselement besteht aus einem Zwei-Komponenten-Beschichtungsstoff, welcher umfasst:
Komponente A: aliphatisches Isocyanat und/oder dessen Abmischungen
Komponente B: mit Komponente A vernetzbares Bindemittel bestehend aus:
80 bis 99 % Bindemittel auf der Basis eines hydroxylgruppenhaltigen und/oder aminofunktionellen Reaktionspartners und/oder deren Abmischungen bis max . 10 % thermochromes Pigment
0 bis 7 % Stabilisatoren
0 bis 3 % Hilfsstoffe
Die Herstellung des thermischen Verschlusselementes erfolgt analog dem Herstellungsbeispiel für den thermischen Akkumulator .
Der thermische Transmitter
Der thermische Transmitter ist der eigentliche Energiewandler. Er besteht aus der thermischen Barriere, in welche die thermischen Gates eingebettet sind. Die Auswahl beider Materialien erfolgt hinsichtlich ihrer Wärmeleitkoeffizienten. Während die Thermogates eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, besteht die thermische Barriere aus einem Material mit möglichst sehr geringer Wärmeleitfähigkeit. Somit wird die die thermische Energie zwangsweise durch die thermischen Gates geführt und dadurch in elektrische Energie umgewandelt.
Die thermische Barriere des thermischen Transmitters dient dazu, den Energiefluss der thermischen Energie hin zum Thermogate sicherzustellen, wobei möglichst keine Streustrahlung, Leitung oder Konvektion neben dem Gate auftreten sollte. Gleichzeitig stellt die Barriereschicht
die Basis für die elektrische Kontaktebene. Diese Schicht besteht aus sehr schlechten Wärmeleitern, wie z.B. Keramik, epoxydharzgebundenen Glasgeweben, u.a..
Das Thermogate besteht aus einem Halbleiterchip, dem Peltier-Element . Dieses wird je nach Energieangebot matrixförmig in die Barriere eingebettet. Die thermische Kopplung zum Diffusor erfolgt über einen wärmeleitenden Klebstoff. Der Abstand zwischen den Zeilen und Spalten richtet sich nach dem verfügbaren Energieangebot. Der Mindestabstand beträgt ca. 1 mm.
Bei dem erfindungsgemäßen thermischen Transmitter ist es wichtig, die Wärme gezielt durch die Thermogates (Peltier-Elemente) zu treiben. Hierzu muss ein großer Wärmeunterschied (Temperaturgradient) zwischen beiden Seiten der Thermogates vorhanden sein.
Der thermische Diffusor
Der thermische Diffusor hat vor allem die Aufgabe, den thermischen Fluss mit hohem Wirkungsgrad sicherzustellen. Hierzu wird unmittelbar hinter dem Thermogate eine Miniaturkältequelle z.B. nach dem Stemke-Prinzip angeordnet. Dadurch wird ein ständig gleichmäßig hoher Temperaturgradient erzeugt und die Energie kann fließen. Der Werkstoff des Diffusors muss wiederum von einer hohen Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet sein. Neben Metallen, wie z.B. Aluminium oder Kupfer können auch CNT - dotierte Polymere zum Einsatz kommen.
Der thermische Diffusor in Form eines CNT-dotierten Polymers besteht aus einem Zwei-Komponenten- Beschichtungsstoff, welcher umfasst:
Komponente A: aliphatisches Isocyanat und/oder dessen Abmischungen
Komponente B: mit Komponente A vernetzbares Bindemittel bestehend aus:
mindestens 85% Bindemittel auf der Basis eines hydroxylgruppenhaltigen und/oder aminofunktionellen Reaktionspartners und/oder deren Abmischungen bis max . 5 % Carbonnanotubes
0 bis 7 % Stabilisatoren
0 bis 3 % Hilfsstoffe
Die technische Ausführung des Wärmediffusors ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Der Wärmediffusor arbeitet z.B. mit gepulster Kälteenergie. Bei der Geothermieanwendung können diese auch einfache Wärmetauschermedien wie z.B. Wasser sein. Die Temperaturreglung erfolgt über PD - Regler, der kontinuierlich zwischen dem Akkumulator und dem Diffusor den Gradienten erfasst und somit den jeweiligen Kältebedarf im Diffusor sicherstellt.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Energieerzeugung zu erreichen, muss der Thermogenerator rückseitig gegen Fremdwärmeeinstrahlung isoliert werden. Dazu wird ein Dämmstoff auf Polyurethanbasis eingesetzt, der aufgrund einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit eine gute Isolierwirkung erzielt. Gleichzeitig dient die Isolationsschicht als Grundlage für eine Befestigung des Thermogenerators an Dachflächen o.a..
Neben der elektrischen Energie erfolgt eine Rückgewinnung der durch das Thermogate gezwungen Wärme mittels einer Wärme-Kraft-Kopplung, (siehe Figur 4)
Elektrische Kontaktierung der Thermogates
Die elektrische Kontaktierung erfolgt direkt in der Transmitterschicht entlang der thermischen Barriere. Die Schaltungsmatrix richtet sich nach dem Leistungsdiagramm und dem Verhältnis von Spannung zu Strom. Die erzeugte Gleichspannung kann mittels elektrischer Akkumulatoren
gespeichert werden oder über Wechselrichter dem Stromnetz zugeführt werden, (siehe Figur 7)
Kältetechnische Kontaktierung der Thermogates
Um einen konstant hohen Temperaturgradienten zwischen Akkumulatorschicht und Diffusorschicht zu gewährleisten, müssen je nach Größe des Thermogenerators mehrere Kältequellen nach dem STEMKE-Prinzip miteinander gekoppelt werden. Die Verknüpfung erfolgt über verlustarme Sehne11kupplungen .
Industrielle Anwendbarkeit
Der Thermogenerator der vorliegenden Erfindung ist in seiner äußeren Form frei gestaltbar. Dadurch kann in vielfältiger Weise eingesetzt werden:
Beispiele :
• Verwendung der erfinderischen Lösung als Dach- oder Fassadenelement eines Gebäudes zur energetischen Nutzung thermischer Energie in Form von Wärmestrahlung
(Sonnenstrahlung, etc.). (siehe Figur 6)
• Verwendung der erfinderischen Lösung als außenliegendes Karosserieelement eines Fahrzeugs zur energetischen Nutzung thermischer Energie in Form von Wärmestrahlung (Sonnenstrahlung, etc.).
• Verwendung der Vorrichtung als Geosonde zur energetischen Nutzung thermischer Energie in Form von unterirdischer Wärmestrahlung.
• Verwendung der Vorrichtung als Element in der Umgebung einer Wärmequelle (z.B. Motor) zur energetischen Nutzung thermischer Energie in Form von Konvektion.
Vorteile der Erfindung
Die Nutzung der permanent verfügbaren alternativen Wärmeenergiequellen entsprechend der erfindungsgemäßen
Beschreibung liegt in der zeitnahen Erzeugung von Elektroenergie und Nutzung von Wärmeenergie.
Durch die Sammlung und Verdichtung thermischer Energie gemäß Beschreibung werden beträchtliche neue Ressourcen der Energienutzung erschlossen.