WO2011060951A2 - Power generating device - Google Patents

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WO2011060951A2
WO2011060951A2 PCT/EP2010/007047 EP2010007047W WO2011060951A2 WO 2011060951 A2 WO2011060951 A2 WO 2011060951A2 EP 2010007047 W EP2010007047 W EP 2010007047W WO 2011060951 A2 WO2011060951 A2 WO 2011060951A2
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photovoltaic
power generating
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Franz-Josef Struffert
Josef REISLÖHNER
Wilhelm Heiss
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Getes Geothermie Ag
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40Thermal components
    • H02S40/44Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24TGEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00Geothermal collectors
    • F24T10/20Geothermal collectors using underground water as working fluid; using working fluid injected directly into the ground, e.g. using injection wells and recovery wells
    • HELECTRICITY
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    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/10PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
    • HELECTRICITY
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    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
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    • Y02E10/60Thermal-PV hybrids

Definitions

  • the present invention generally relates to power generation devices, and more particularly to a power generation device including at least one thermocouple and a heat transport device and a photovoltaic device having such a power generation device.
  • heat in a medium usually water, transported and delivered to a designated location, for example.
  • a heat exchanger By means of a heat exchanger.
  • the cooled medium is then passed back to a heat source and again returned to the circulation in a heated state. Since, in general, the actual heat loss is not predictable, such heat supply systems generally have some amount of unused residual heat.
  • the object of the present invention is to improve the energy efficiency of existing plants in which heat is transported or generated.
  • the present invention provides a power generation apparatus comprising: at least one thermocouple having a first surface for receiving heat and a second surface for emitting heat and being configured due to a temperature difference between the first and second surfaces to generate electrical energy; at least one heat supply area supplying heat to the first surface of the at least one thermocouple; and at least one heat dissipation area that dissipates heat from the second surface of the at least one thermocouple.
  • the present invention provides a heat transport device, in particular a geothermal, district heating or cooling system, comprising a power generation device according to the first aspect, wherein the heat transport device comprises a heat-carrying transport circuit with a heat transport medium, the transport circuit at least a flow and a return wherein the heat transport medium in the flow has a higher temperature than in the return, the flow is at least partially disposed in the heat supply region of the power generation device, and the return is at least partially disposed in the heat dissipation region of the power generation device.
  • the heat transport device comprises a heat-carrying transport circuit with a heat transport medium, the transport circuit at least a flow and a return wherein the heat transport medium in the flow has a higher temperature than in the return, the flow is at least partially disposed in the heat supply region of the power generation device, and the return is at least partially disposed in the heat dissipation region of the power generation device.
  • the present invention provides a photovoltaic device for generating electricity, comprising a power generating device according to the first aspect, wherein the photovoltaic device has at least one photovoltaic element having a front side for collecting solar rays and a back side; the back of the at least one photovoltaic element is at least partially disposed in the heat supply region for the at least one thermocouple; and the heat removal area is at least partially traversed by a fluid, in particular air or water.
  • Fig. 1 illustrates an embodiment of a power generating device in accordance with the present invention
  • Fig. 2 illustrates a geothermal plant and a district heating network supplied with heat from the geothermal plant
  • Fig. 3 shows the geothermal system and the district heating network according to Fig.2 with therein power generating devices of Figure 1 for residual heat utilization.
  • FIG. 4 illustrates a photovoltaic device with a power generating device of FIG. 1.
  • thermoelectric elements or thermocouples are generally known, which are formed, for example, from two different metals or, in the case of thermoelectric generators, also from semiconductor materials.
  • the thermocouples have a so-called “warm” side and a “cold” side. Due to a temperature difference between the hot and the cold side, the thermocouple can generate electricity due to the Seebeck effect. If the thermocouple consists of a semiconductor material, then it is called after the Peltier effect Peltier element.
  • the Peltier effect is just the reverse of the Seebeck effect, that is, applying a current makes the Peltier elements on one side warm and cold on the other.
  • thermocouples as such are primarily used as temperature sensors. The generated current or voltage is converted into a corresponding temperature signal.
  • thermocouples in the form of Peltier elements are used primarily as cooling elements.
  • thermocouples are used millions of times as cooling elements of the smallest degree for electronic components. State of research is to develop so-called. Thermoelectric generators to improve the mode of action.
  • thermocouples in particular in the Form of thermoelectric generators, generally to improve energy efficiency, especially in geothermal, district heating, cooling and photovoltaic systems use or use.
  • the thermocouples are used or used so that they use residual heat and / or unneeded heat to generate electricity.
  • thermocouples can be used in geothermal plants, in particular in systems of hydrothermal deep geothermal energy, connected or independently in systems of district heating, cooling systems, cooling circuits of any kind, for residual heat and in combination with photovoltaic elements / plates / components. Due to the mode of action of the thermocouples existing heat is better and more fully used in such systems, thereby improving the efficiency of the thermal systems. Through better utilization, it is possible to save CO2 emissions and, for example, to achieve a direct improvement in the electrical yield in photovoltaic systems.
  • thermocouple consists in some embodiments of three main components.
  • a central region for example with a semiconductor element or an element with suitable materials, which cause the Seebeck effect, such as ⁇ 2 ⁇ 3, PbTe, SiGe, BiSb or FeSi 2, and two surface regions sandwiching the central region.
  • the surface regions can also be formed as separate elements, for example as plates or the like.
  • the thermocouple is also designed plate-like in some embodiments, and the cold or warm side is located respectively at the top and bottom of the thermocouple. On the warm side, heat is then applied to the thermocouple in some embodiments, while heat is dissipated on the cold side.
  • a power generating device includes at least one thermocouple for utilizing Heat or residual heat generated in a district heating system, refrigeration systems, cooling circuits of any kind, or photovoltaic elements / plates / components.
  • the thermocouple has a first surface for receiving heat and a second surface for dissipating heat.
  • the surface can be, for example, the surface of the semiconductor material or be formed by a plate, coating or other thermally conductive element, which is in thermal contact with the due to temperature difference generating element.
  • the thermocouple is configured to generate electrical energy due to the temperature difference between the first and second surfaces.
  • the power generation device In order to transport the heat to the first surface, that is to say the warm side, of the thermocouple, the power generation device has a heat supply region, which supplies heat to the first surface of the at least one thermocouple. And in order to produce the temperature difference necessary for power generation, the power generation device has a heat dissipation area that absorbs heat from the second surface, i. the cold side, the at least one thermocouple dissipates.
  • the power generating device can be used in equipment as described above or other technical devices in which there is a plant-related heat supply and heat dissipation.
  • the power generation device in any technical (thermal) systems or heat transport circuits existing residual heat to use for power generation.
  • Technically known thermocouples usually have relatively small dimensions, for example in the square centimeter range.
  • the power generation device includes an array having a plurality of thermocouples, wherein the thermocouples are electrically connected in series and thereby form a thermoelectric generator.
  • the thermocouples are connected in series between the cold and the warm side in order to generate the highest possible voltage.
  • Such arrays can have hundreds, thousands or even 100,000 or more thermocouples.
  • thermocouples can be adapted according to the requirements, in particular the temperatures prevailing on the cold and hot side, and to the corresponding temperature difference, in order to ensure optimum generation of electrical energy (current or voltage).
  • thermocouple or at least one power generation device is used with at least one thermocouple in a plant, such as. Geothermal, district heating or cooling system or the like or used for hillsnutkar in photovoltaic systems.
  • a heat transport device in particular a geothermal, district heating or cooling system, at least one power generating device as described above.
  • the heat transport device has, for example, a heat-carrying transport circuit with a heat transport medium.
  • the heat transport medium may be a fluid, such as, for example, air or water or any other heat transfer medium which is suitable to transport heat.
  • the transport circuit has at least one flow and one return, wherein the heat transport medium in the flow has a higher temperature than in the return.
  • the transport cycle can be an open or closed circuit.
  • the flow and the return are, for example, so separated that they are in no communicating connection with each other, while in other embodiments, the flow and return are in communicating connection.
  • the flow is at least partially disposed in the heat supply region of the power generating device and thus can deliver heat to the first surface of the at least one thermocouple, whether by direct or indirect heat-conducting contact or by thermal radiation.
  • the return is at least partially disposed in the heat dissipation region of the power generating device and accordingly receives heat from the second surface of the thermocouple, which is discharged, for example, via direct or indirect heat conduction or by heat radiation from the second surface.
  • thermocouple electrical energy current
  • the flow of the heat transport device and the return of the heat transport device are in some embodiments, not necessarily equal to the flow or return of an entire system, eg. A geothermal or district heating system or a cooling system.
  • the supply and return refer here only to the part of the transport system of the heat to the power supply device, i. to the at least one thermocouple, leads or dissipates.
  • at least one thermocouple or at least one power supply device as described above is used in a photovoltaic device to generate power.
  • the photovoltaic device has at least one power generating device with at least one thermocouple, as described above, and at least one photovoltaic element.
  • the photovoltaic element has a front for catching sun rays and a back side opposite to the front side.
  • the rear side of the at least one photovoltaic element is at least partially in the heat supply region for the at least one thermocouple arranged.
  • Photovoltaic elements heat up strongly due to the sun's rays, which not only leads to a lower efficiency of the photovoltaic element itself, but also leaves a corresponding amount of energy unused.
  • at the back of the photovoltaic elements creates a lot of heat, which can be used by the arrangement of thermocouples in this area to generate electricity.
  • the heat dissipation region of the at least one thermocouple is at least partially traversed by a fluid, such as, for example, air or water.
  • a fluid such as, for example, air or water.
  • passing air flows along the second surface of the thermocouple and thereby cools it on the second surface.
  • thermocouple In embodiments in which there is a (direct) heat conduction contact between the thermocouple and the photovoltaic element, not only the heat generated at the back of the photovoltaic element can be used to generate electricity, but the thermocouple additionally cools the corresponding photovoltaic element by the heat dissipation, whereby the efficiency of the photovoltaic element, which is temperature dependent, is also increased.
  • thermocouple 2 which is arranged between a heat supply region 6 and a heat removal region 7.
  • the thermocouple 2 has a rectangular, plate-like shape and is formed of a semiconductor material 3 sandwiched between two plates 4 and 5.
  • the upper plate 4 forms a first surface on which heat is supplied via the heat supply region 6, while the lower plate 5 forms a second surface on the heat to the heat removal region 7 is delivered. Consequently, with appropriate heat supply and heat dissipation, a temperature difference between the upper plate 4 and the lower plate 5, which leads to a power generation in the semiconductor material 2.
  • the power generation device has a plurality of thermocouples 2, which are connected in series and, for example, are arranged in an array.
  • the upper 4 and lower plates 5 may be continuous.
  • each thermocouple has a single plate or mixed forms are realized in which, for example, several thermocouples are combined to form a module and these modules each having an upper and a lower plate.
  • the power supply device is correspondingly easy to use in cooling systems and cooling circuits of any kind and the residual heat.
  • the power supply device must be used only in the cooling system or the cooling circuit or the like, that heat is supplied to the heat supply region 6 and heat is dissipated in the heat dissipation region 7.
  • the upper arrow 8 which points in the direction of the heat supply region 6, stands for a heat supply, for example from a cooling circuit originating from a geothermal heat source or from any other suitable (residual heat source Water pipes or by another suitable heat transfer line in the heat supply area 6 and there, for example, by direct or indirect (eg., By heat exchanger) thermally conductive contact to the upper plate 4 or by heat radiation to the upper plate 4 is discharged the upper plate 4 ago.
  • the medium cools down accordingly, for example. From temperature T1 to a lower temperature T2.
  • heat as indicated by arrow 9, for example, by means of a return of a cooling system, cooling circuit or a return / reinjection after thermal use or by cooling, for example, by means of air, water, groundwater dissipated.
  • the heat transport medium passing through the heat removal region 7, for example, from a temperature T3 to a higher temperature T4 heats up.
  • the lower plate 5 can deliver the heat to the heat transfer medium either by direct or indirect heat conduction contact or by thermal radiation.
  • the power generating device when using a plurality of thermocouple, the power generating device, for example, in industrial-technical environment for power generation are used and it can basically any type of heat source or residual heat in cooling systems, cooling systems, cooling circuits or the like will be used to generate electrical energy.
  • the power generating device 1 can also be used in other embodiments in other heat transport devices, such as.
  • a geothermal plant 1 1 with, for example. Downstream geothermal power plant 15 and even, for example.
  • the flow 12 and the return line 13 form their own geothermal cycle A, which is separated, for example, by a heat exchanger WT from a district heating circuit B, which supplies a geothermal power plant 15 and houses 16 with heat.
  • the geothermal power plant 15 and the houses 16 remove as a heat consumer via appropriate heat exchanger heat from the flow line 18, with a heat transport medium such as water filled is.
  • the cooled by the heat removal water is then fed back to the heat exchanger WT by means of a return line 19 and then there, depending on the temperature, again pumped by the return 13 of the Goethermienikmaschinennenes A through the re-injection well into the earth (and reheated there).
  • the power generating device which is designated in each case as TEG in Fig.
  • thermoelectric energy production TEG
  • the power generation facilities are placed so that an existing functional and operational temperature difference is used. With this additional use of heat, the return is further cooled and thus better exploited the geothermal energy already produced.
  • the power generating device can be used, for example, between the flow 12 and the return line 13 in the geothermal cycle or even in the return 13.
  • the power generating device 1 can be used to further cool the return line 13.
  • the return 13 is guided into the heat supply region 6 of the power generation device 2 (see FIG. 1), so that residual heat in the return flow 13 can be released there.
  • groundwater or air or another coolant that is colder than the return temperature can be used on the heat removal side 7, so that a corresponding temperature difference can be produced for power generation.
  • the power generating device 1 can be used for further cooling of the return from the geothermal power plant 15 or, for example, to further cooling the returns 17 of the respective houses 16.
  • the respective return of the geothermal power plant 15 and the returns 17 of the houses 16 led into the heat supply region 6 of the power generating device 1, so that there can be given residual heat and used to generate electricity.
  • the heat can be dissipated by means of groundwater, air cooling or the like.
  • the power generating device 1 can also be used in each case between the supply and return of the geothermal power plant 15 or the houses 16. In these cases, the respective flow into the heat supply region 6 and the return is guided by the heat removal region 7 of the power generating device 1.
  • the power generating device 1 can always be used when a temperature difference suitable for generating power can be produced.
  • thermocouple 2 or at least one power generation device 1 can be used in combination with photovoltaic elements / plates and / or photovoltaic components.
  • a photovoltaic system normally consists of a plurality of photovoltaic elements, of which a single photovoltaic element 20 is shown schematically in FIG.
  • Solar radiation 22 impinges on a front side 21 of the photovoltaic element 20 and we are then converted into electrical energy in the photovoltaic element 20.
  • the photovoltaic element is considerably heated, which significantly reduces its efficiency.
  • the rear ventilation that is, on the shadow side of the photovoltaic element 20 along flowing air flow 24, a cooling on the shadow side of the photovoltaic elements 22nd
  • the heat at the rear side 23 of the photovoltaic element 22 can be transmitted to the semiconductor material 3 via the plate 4.
  • the lower plate 4 on the cold side of the thermocouple 2 is cooled by the air flow 24, which flows in a heat removal region 7. This results in a corresponding temperature difference in the power generation device 1, which can be used to generate electricity. Consequently, the unconverted heat from the photovoltaic element 22 is further converted into electrical energy. By the heat dissipation of the power generating device 1 from the back 23 of the photovoltaic element 22, the photovoltaic element 22 is additionally cooled and thereby increases its efficiency.
  • a plurality of photovoltaic elements and a corresponding plurality of thermocouples or power generation devices are combined in an array to provide the largest possible photovoltaic system.

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Abstract

The invention relates to a power generating device, comprising at least one thermocouple, which has a first surface for absorbing heat and a second surface for dissipating heat and is designed to generate electric energy based on a temperature difference between the first and second surfaces, at least one heat supply region, which supplies heat to the first surface of the at least one thermocouple, and at least one heat dissipating region, which dissipates heat from the second surface of the at least one thermocouple.

Description

STROMERZEUGUNGSVORRICHTUNG  POWER GENERATION DEVICE
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Stromerzeugungsvorrichtungen und insbesondere auf eine Stromerzeugungsvorrichtung, die wenigstens ein Thermoelement umfasst, und auf eine Wärmetransportvorrichtung und eine Photovoltaikvorrichtung mit einer derartigen Stromerzeugungsvorrichtung. The present invention generally relates to power generation devices, and more particularly to a power generation device including at least one thermocouple and a heat transport device and a photovoltaic device having such a power generation device.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
Bei bekannten Anlagen für die Wärmeversorgung, wie bspw. Geothermieanlagen, Fernwärmeversorgung oder sonstigen Anlagen, die mit Wärmekreisläufen versehen sind, wird Wärme in einem Medium, meistens Wasser, transportiert und an einer dafür vorgesehenen Stelle bspw. mittels eines Wärmetauschers abgegeben. Das abgekühlte Medium wird dann zurück zu einer Wärmequelle geführt und wiederum erwärmt in den Kreislauf zurückgeführt. Da im Allgemeinen die tatsächliche Wärmeabnahme nicht vorhersehbar ist, befindet sich in solchen Anlagen zur Wärmeversorgung im Allgemeinen eine gewisse Menge an ungenutzter Restwärme. In known systems for the heat supply, such as geothermal plants, district heating or other facilities that are provided with heat cycles, heat in a medium, usually water, transported and delivered to a designated location, for example. By means of a heat exchanger. The cooled medium is then passed back to a heat source and again returned to the circulation in a heated state. Since, in general, the actual heat loss is not predictable, such heat supply systems generally have some amount of unused residual heat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Energieeffizienz von bestehenden Anlagen, in denen Wärme transportiert oder erzeugt wird, zu verbessern. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG The object of the present invention is to improve the energy efficiency of existing plants in which heat is transported or generated. SUMMARY OF THE INVENTION
Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Stromerzeugungsvorrichtung bereit, umfassend: wenigstens ein Thermoelement, das eine erste Oberfläche zur Aufnahme von Wärme aufweist und eine zweite Oberfläche zur Abgabe von Wärme und das eingerichtet ist, aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche elektrische Energie zu erzeugen; wenigstens einen Wärmezuführbereich, der der ersten Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements Wärme zuführt; und wenigstens einen Wärmeabführbereich, der Wärme von der zweiten Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements abführt. Nach einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Wärmetransportvorrichtung, insbesondere eine Geothermie-, Fernwärme oder Kühlanlage, bereit, die eine Stromerzeugungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt umfasst, wobei die Wärmetransportvorrichtung einen wärmeführenden Transportkreislauf mit einem Wärmetransportmedium aufweist, der Transportkreislauf wenigstens einen Vorlauf und einen Rücklauf aufweist, wobei das Wärmetransportmedium im Vorlauf eine höhere Temperatur als im Rücklauf hat, der Vorlauf wenigstens teilweise im Wärmezuführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung angeordnet ist, und der Rücklauf wenigstens teilweise im Wärmeabführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung angeordnet ist. According to a first aspect, the present invention provides a power generation apparatus comprising: at least one thermocouple having a first surface for receiving heat and a second surface for emitting heat and being configured due to a temperature difference between the first and second surfaces to generate electrical energy; at least one heat supply area supplying heat to the first surface of the at least one thermocouple; and at least one heat dissipation area that dissipates heat from the second surface of the at least one thermocouple. According to a second aspect, the present invention provides a heat transport device, in particular a geothermal, district heating or cooling system, comprising a power generation device according to the first aspect, wherein the heat transport device comprises a heat-carrying transport circuit with a heat transport medium, the transport circuit at least a flow and a return wherein the heat transport medium in the flow has a higher temperature than in the return, the flow is at least partially disposed in the heat supply region of the power generation device, and the return is at least partially disposed in the heat dissipation region of the power generation device.
Nach einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Photovoltaikvorrichtung zum Erzeugen von Strom bereit, die eine Stromerzeugungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt umfasst, wobei die Photovoltaikvorrichtung wenigstens ein Photovoltaikelement mit einer Vorderseite zum Auffangen von Sonnenstrahlen und eine Rückseite aufweist; die Rückseite des wenigstens einen Photovoltaikelements wenigstens teilweise im Wärmezufuhrbereich für das wenigstens eine Thermoelement angeordnet ist; und der Wärmeabführbereich wenigstens teilweise von einem Fluid, insbesondere Luft oder Wasser, durchströmt wird. Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der beigefügten Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. According to a third aspect, the present invention provides a photovoltaic device for generating electricity, comprising a power generating device according to the first aspect, wherein the photovoltaic device has at least one photovoltaic element having a front side for collecting solar rays and a back side; the back of the at least one photovoltaic element is at least partially disposed in the heat supply region for the at least one thermocouple; and the heat removal area is at least partially traversed by a fluid, in particular air or water. Further aspects and features of the present invention will become apparent from the dependent claims, the accompanying drawings and the following description of preferred embodiments.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschreiben, in der: Embodiments of the invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Stromerzeugungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; Fig. 1 illustrates an embodiment of a power generating device in accordance with the present invention;
Fig. 2 eine Geothermieanlage und ein mit Wärme aus der Geothermieanlage versorgtes Fernwärmenetz veranschaulicht; Fig. 3 die Geothermieanlage und das Fernwärmenetz nach Fig.2 mit darin angeordneten Stromerzeugungsvorrichtungen nach Fig. 1 zur Restwärmeausnutzung zeigt; und Fig. 2 illustrates a geothermal plant and a district heating network supplied with heat from the geothermal plant; Fig. 3 shows the geothermal system and the district heating network according to Fig.2 with therein power generating devices of Figure 1 for residual heat utilization. and
Fig. 4 eine Photovoltaikvorrichtung mit einer Stromerzeugungsvorrichtung nach Fig. 1 veranschaulicht. FIG. 4 illustrates a photovoltaic device with a power generating device of FIG. 1. FIG.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Vor einer detaillierten Beschreibung folgen zunächst allgemeine Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen und deren Vorteile. Es sind allgemein thermoelektrische Elemente oder Thermoelemente bekannt, die bspw. aus zwei unterschiedlichen Metallen oder, im Falle von thermoelektrischen Generatoren, auch aus Halbleitermaterialien gebildet werden. Die Thermoelemente weisen dabei eine sogenannte "warme" Seite und eine "kalte" Seite auf. Aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen der warme und der kalten Seite, kann das Thermoelement aufgrund des Seebeck-Effekts Strom erzeugen. Besteht das Thermoelement aus einem Halbleitermaterial, so wird es auch nach dem Peltier-Effekt Peltier-Element genannt. Der Peltier-Effekt ist gerade die Umkehrung des Seebeck-Effekts, das heißt durch Anlegen eines Stromes wird das Peltier-Elementen auf einer Seite warm und auf der anderen kalt. In Fig. 1, an embodiment in accordance with the present invention is illustrated. Before a detailed description follows first general explanations to the embodiments and their advantages. Thermoelectric elements or thermocouples are generally known, which are formed, for example, from two different metals or, in the case of thermoelectric generators, also from semiconductor materials. The thermocouples have a so-called "warm" side and a "cold" side. Due to a temperature difference between the hot and the cold side, the thermocouple can generate electricity due to the Seebeck effect. If the thermocouple consists of a semiconductor material, then it is called after the Peltier effect Peltier element. The Peltier effect is just the reverse of the Seebeck effect, that is, applying a current makes the Peltier elements on one side warm and cold on the other.
Thermoelemente als solches werden in erster Linie als Temperaturfühler eingesetzt. Dabei wird der erzeugte Strom bzw. die erzeugte Spannung in ein entsprechendes Temperatursignal umgerechnet. Thermoelemente in der Form von Peltier-Elementen werden hingegen in erster Linie als Kühlelemente eingesetzt. Thermoelemente werden heutzutage entsprechend als Kühlelemente kleinsten Ausmaßes für Elektronikbauteile millionenfach eingesetzt. Stand der Forschung ist es, zur Verbesserung der Wirkungsweise sog. thermoelektrische Generatoren zu entwickeln. Thermocouples as such are primarily used as temperature sensors. The generated current or voltage is converted into a corresponding temperature signal. In contrast, thermocouples in the form of Peltier elements are used primarily as cooling elements. Nowadays thermocouples are used millions of times as cooling elements of the smallest degree for electronic components. State of research is to develop so-called. Thermoelectric generators to improve the mode of action.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass sich Thermoelemente, insbesondere in der Form thermoelektrischer Generatoren, im Allgemeinen zur Verbesserung der Energieeffizienz, insbesondere bei Geothermie-, Fernwärme-, Kühl- und Photovoltaikanlagen einsetzen bzw. verwenden lassen. Dabei werden die Thermoelemente so eingesetzt bzw. verwendet, dass sie Restwärme und/oder nicht benötigte Wärme zur Stromerzeugung nutzen. The inventors have now recognized that thermocouples, in particular in the Form of thermoelectric generators, generally to improve energy efficiency, especially in geothermal, district heating, cooling and photovoltaic systems use or use. The thermocouples are used or used so that they use residual heat and / or unneeded heat to generate electricity.
Dabei können Thermoelemente in Anlagen der Geothermie, insbesondere in Anlagen der hydrothermalen Tiefengeothermie eingesetzt werden, damit verbunden oder selbständig in Anlagen der Fernwärmeversorgung, in Kühlanlagen, Kühlkreisläufen jeglicher Art, zur Restwärmenutzung und in der Kombination mit Photovoltaikelementen/ -platten/ -bauteilen. Durch die Wirkungsweise der Thermoelemente wird in solchen Anlagen vorhandene Wärme besser und vollständiger genutzt, um damit die Effizienz der thermischen Anlagen zu verbessern. Durch die bessere Ausnutzung ist es möglich, CO2-Emissionen einzusparen und bspw. bei Photovoltaikanlagen eine direkte Verbesserung der elektrischen Ausbeute zu erreichen. In this case, thermocouples can be used in geothermal plants, in particular in systems of hydrothermal deep geothermal energy, connected or independently in systems of district heating, cooling systems, cooling circuits of any kind, for residual heat and in combination with photovoltaic elements / plates / components. Due to the mode of action of the thermocouples existing heat is better and more fully used in such systems, thereby improving the efficiency of the thermal systems. Through better utilization, it is possible to save CO2 emissions and, for example, to achieve a direct improvement in the electrical yield in photovoltaic systems.
Ein Thermoelement besteht bei manchen Ausführungsbeispielen aus drei Hauptbauteilen. Einem Mittelbereich, bspw. mit einem Halbleiterelement oder einem Element mit geeigneten Materialien, die den Seebeck-Effekt hervorrufen, wie bspw. ΒΪ2Τβ3, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 und zwei Oberflächenbereichen, die den Mittelbereich sandwichartig umgeben. Die Oberflächenbereiche können auch als gesonderte Elemente, bspw. als Platten oder dergleichen ausgebildet sein. Das Thermoelement ist bei manchen Ausführungsbeispielen ebenfalls plattenartig ausgestaltet und die kalte bzw. warme Seite befindet sich jeweils and der Ober- bzw. Unterseite des Thermoelements. Auf der warmen Seite wird dann bei manchen Ausführungsbeispielen dem Thermoelement Wärme zugeführt, während auf der kalten Seite Wärme abgeführt wird. Fließt die Wärme bspw. über die Platten über die warme Seite durch das Thermoelement zur kalten Seite, wird ein Strom im Mittelbereich. z.B. im Halbleitermaterial, erzeugt. Entsprechend umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen eine Stromerzeugungsvorrichtung wenigstens ein Thermoelement zur Ausnutzung von Wärme oder Restwärme, die in einer Anlage zur Fernwärmeversorgung, in Kühlanlagen, Kühlkreisläufen jeglicher Art, oder bei Photovoltaikelementen/- platten/-bauteilen entsteht. A thermocouple consists in some embodiments of three main components. A central region, for example with a semiconductor element or an element with suitable materials, which cause the Seebeck effect, such as ΒΪ2Τβ3, PbTe, SiGe, BiSb or FeSi 2, and two surface regions sandwiching the central region. The surface regions can also be formed as separate elements, for example as plates or the like. The thermocouple is also designed plate-like in some embodiments, and the cold or warm side is located respectively at the top and bottom of the thermocouple. On the warm side, heat is then applied to the thermocouple in some embodiments, while heat is dissipated on the cold side. If, for example, the heat flows via the plates over the hot side through the thermocouple to the cold side, a current is generated in the middle region. eg in the semiconductor material. Accordingly, in some embodiments, a power generating device includes at least one thermocouple for utilizing Heat or residual heat generated in a district heating system, refrigeration systems, cooling circuits of any kind, or photovoltaic elements / plates / components.
Das Thermoelement weist eine erste Oberfläche zur Aufnahme von Wärme auf und eine zweite Oberfläche zur Abgabe von Wärme. Wie erwähnt, kann die Oberfläche bspw. die Oberfläche des Halbleitermaterials sein oder durch eine Platte, Beschichtung oder sonstiges wärmeleitfähiges Element gebildet werden, das in Wärmekontakt mit dem aufgrund Temperaturdifferenz Stromerzeugenden Elements steht. Das Thermoelement ist entsprechend eingerichtet, aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche elektrische Energie zu erzeugen. The thermocouple has a first surface for receiving heat and a second surface for dissipating heat. As mentioned, the surface can be, for example, the surface of the semiconductor material or be formed by a plate, coating or other thermally conductive element, which is in thermal contact with the due to temperature difference generating element. The thermocouple is configured to generate electrical energy due to the temperature difference between the first and second surfaces.
Um die Wärme auf die erste Oberfläche, das heißt warme Seite, des Thermoelements zu transportieren, weist die Stromerzeugungsvorrichtung einen Wärmezuführbereich auf, der der ersten Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements Wärme zuführt. Und um die zur Stromerzeugung notwendige Temperaturdifferenz herzustellen, weist die Stromerzeugungsvorrichtung einen Wärmeabführbereich auf, der Wärme von der zweiten Oberfläche, d.h. der kalten Seite, des wenigstens einen Thermoelements abführt. In order to transport the heat to the first surface, that is to say the warm side, of the thermocouple, the power generation device has a heat supply region, which supplies heat to the first surface of the at least one thermocouple. And in order to produce the temperature difference necessary for power generation, the power generation device has a heat dissipation area that absorbs heat from the second surface, i. the cold side, the at least one thermocouple dissipates.
Aufgrund dieser Konfiguration kann die Stromerzeugungsvorrichtung in Anlage, wie oben beschrieben, oder sonstigen technischen Vorrichtungen verwendet werden, in denen es eine anlagenbedingte Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr gibt. Damit kann die Stromerzeugungsvorrichtung in beliebigen technischen (thermischen) Anlagen oder Wärmetransportkreisläufen vorhandene Restwärme zur Stromerzeugung nutzen. Technische bekannte Thermoelemente haben meistens relative kleine Abmessungen, bspw. im Quadratzentimeterbereich. Daher weist bei manchen Ausführungsbeispielen die Stromerzeugungsvorrichtung ein Array mit einer Vielzahl von Thermoelementen auf, wobei die Thermoelemente elektrisch in Reihe geschaltet sind und dadurch einen thermoelektrischen Generator bilden. Die Thermoelemente werden dabei zwischen der kalten und der warmen Seite in Reihe geschaltet, um eine möglichst hohe Spannung zu erzeugen. Solche Arrays können hunderte, tausend oder gar 100.000 oder mehr Thermoelemente aufweisen. Due to this configuration, the power generating device can be used in equipment as described above or other technical devices in which there is a plant-related heat supply and heat dissipation. Thus, the power generation device in any technical (thermal) systems or heat transport circuits existing residual heat to use for power generation. Technically known thermocouples usually have relatively small dimensions, for example in the square centimeter range. Thus, in some embodiments, the power generation device includes an array having a plurality of thermocouples, wherein the thermocouples are electrically connected in series and thereby form a thermoelectric generator. The thermocouples are connected in series between the cold and the warm side in order to generate the highest possible voltage. Such arrays can have hundreds, thousands or even 100,000 or more thermocouples.
Außerdem können die Thermoelemente entsprechend den Anforderungen, insbesondere den Temperaturen die an der kalten und heißen Seite vorherrschen, und an die entsprechend vorliegende Temperaturdifferenz angepasst werden, um eine optimale Erzeugung elektrischer Energie (Strom oder Spannung) sicherzustellen. In addition, the thermocouples can be adapted according to the requirements, in particular the temperatures prevailing on the cold and hot side, and to the corresponding temperature difference, in order to ensure optimum generation of electrical energy (current or voltage).
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird wenigstens ein Thermoelement bzw. wenigstens eine Stromerzeugungsvorrichtung mit wenigstens einem Thermoelement in einer Anlage, wie bspw. einer Geothermie-, Fernwärme- oder Kühlanlage oder dergleichen verwendet oder zur Wärmenutzug bei Photovoltaikanlagen verwendet. In some embodiments, at least one thermocouple or at least one power generation device is used with at least one thermocouple in a plant, such as. Geothermal, district heating or cooling system or the like or used for Wärmenutzug in photovoltaic systems.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst entsprechend eine Wärmetransportvorrichtung, insbesondere eine Geothermie-, Fernwärme oder Kühlanlage, wenigstens eine Stromerzeugungsvorrichtung wie oben beschrieben. Die Wärmetransportvorrichtung weist bspw. einen wärmeführenden Transportkreislauf mit einem Wärmetransportmedium auf. Das Wärmetransportmedium kann dabei ein Fluid sein, wie bspw. Luft oder Wasser oder ein beliebig anderes Wärmetransportmedium das geeignet ist, Wärme zu transportieren. In some embodiments, according to a heat transport device, in particular a geothermal, district heating or cooling system, at least one power generating device as described above. The heat transport device has, for example, a heat-carrying transport circuit with a heat transport medium. The heat transport medium may be a fluid, such as, for example, air or water or any other heat transfer medium which is suitable to transport heat.
Der Transportkreislauf weist wenigstens einen Vorlauf und einen Rücklauf auf, wobei das Wärmetransportmedium im Vorlauf eine höhere Temperatur als im Rücklauf hat. Der Transportkreislauf kann dabei ein offener oder geschlossener Kreislauf sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind der Vorlauf und der Rücklauf bspw. derart getrennt, dass sie in keiner kommunizierenden Verbindung miteinander stehen, während bei anderen Ausführungsbeispielen der Vor- und Rücklauf in kommunizierender Verbindung stehen. The transport circuit has at least one flow and one return, wherein the heat transport medium in the flow has a higher temperature than in the return. The transport cycle can be an open or closed circuit. In some embodiments, the flow and the return are, for example, so separated that they are in no communicating connection with each other, while in other embodiments, the flow and return are in communicating connection.
Der Vorlauf ist wenigstens teilweise im Wärmezuführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung angeordnet und kann folglich Wärme an die erste Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements abgeben, sei es durch direkten oder indirekten Wärmeleitenden Kontakt oder durch Wärmestrahlung. The flow is at least partially disposed in the heat supply region of the power generating device and thus can deliver heat to the first surface of the at least one thermocouple, whether by direct or indirect heat-conducting contact or by thermal radiation.
Der Rücklauf ist wenigstens teilweise im Wärmeabführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung angeordnet und nimmt entsprechend Wärme von der zweiten Oberfläche des Thermoelements auf, die bspw. über direkte oder indirekte Wärmeleitung oder durch Wärmestrahlung von der zweiten Oberfläche abgegeben wird. The return is at least partially disposed in the heat dissipation region of the power generating device and accordingly receives heat from the second surface of the thermocouple, which is discharged, for example, via direct or indirect heat conduction or by heat radiation from the second surface.
Durch die Wärmezufuhr vom Vorlauf auf die erste Oberfläche des wenigstens einen Thermoelements und die Wärmeabfuhr von der zweiten Oberfläche über den Rücklauf entsteht eine entsprechende Temperaturdifferenz zwischen der ersten Oberfläche des Thermoelements und der zweiten Oberfläche des Thermoelements, aufgrund derer das wenigstens eine Thermoelement elektrische Energie (Strom) erzeugen kann. By the supply of heat from the flow to the first surface of the at least one thermocouple and the heat removal from the second surface via the return, a corresponding temperature difference between the first surface of the thermocouple and the second surface of the thermocouple, due to which the at least one thermocouple electrical energy (current ).
Der Vorlauf der Wärmetransportvorrichtung und der Rücklauf der Wärmetransportvorrichtung sind bei manchen Ausführungsbeispielen nicht notwendigerweise mit dem Vor- bzw. Rücklauf einer gesamten Anlage, bspw. einer Geothermie- oder Fernwärmeanlage oder eines Kühlsystems gleichzusetzen. Der Vor- und Rücklauf beziehen sich hierbei lediglich auf den Teil des Transportsystem der die Wärme zur Stromversorgungsvorrichtung, d.h. zu dem wenigstens einen Thermoelement, hinführt bzw. abführt. Bei manchen Ausführungsbespielen wird wenigstens ein Thermoelement bzw. wenigstens eine Stromversorgungsvorrichtung, wie oben beschrieben, in einer Photovoltaikvorrichtung zum Erzeugen von Strom verwendet. The flow of the heat transport device and the return of the heat transport device are in some embodiments, not necessarily equal to the flow or return of an entire system, eg. A geothermal or district heating system or a cooling system. The supply and return refer here only to the part of the transport system of the heat to the power supply device, i. to the at least one thermocouple, leads or dissipates. In some embodiments, at least one thermocouple or at least one power supply device as described above is used in a photovoltaic device to generate power.
Dabei weist die Photovoltaikvorrichtung wenigstens eine Stromerzeugungsvorrichtung mit wenigstens einem Thermoelement, wie oben beschrieben, und wenigstens ein Photovoltaikelement auf. In this case, the photovoltaic device has at least one power generating device with at least one thermocouple, as described above, and at least one photovoltaic element.
Das Photovoltaikelement weist eine Vorderseite zum Auffangen von Sonnenstrahlen und eine Rückseite auf, die der Vorderseite gegenüber liegt. Die Rückseite des wenigstens einen Photovoltaikelements ist dabei wenigstens teilweise im Wärmezufuhrbereich für das wenigstens eine Thermoelement angeordnet. Photovoltaikelemente erwärmen sich durch die Sonneneinstrahlung stark, was nicht nur zu einem schlechteren Wirkungsgrad des Photovoltaikelements selbst führt, sondern auch entsprechend viel Energie ungenutzt lässt. Insbesondere an der Rückseite der Photovoltaikelemente entsteht viel Wärme, die sich durch die Anordnung von Thermoelementen in diesem Bereich zur Stromerzeugung nutzen lässt. The photovoltaic element has a front for catching sun rays and a back side opposite to the front side. The rear side of the at least one photovoltaic element is at least partially in the heat supply region for the at least one thermocouple arranged. Photovoltaic elements heat up strongly due to the sun's rays, which not only leads to a lower efficiency of the photovoltaic element itself, but also leaves a corresponding amount of energy unused. In particular, at the back of the photovoltaic elements creates a lot of heat, which can be used by the arrangement of thermocouples in this area to generate electricity.
Der Wärmeabführbereich des wenigstens einen Thermoelements wird wenigstens teilweise von einem Fluid, wie bspw. Luft oder Wasser durchströmt. Bei manchen Ausführungsbeispielen strömt bspw. vorbeiströmende Luft an der zweiten Oberfläche des Thermoelements entlang und kühlt dieses dadurch an der zweiten Oberfläche. Durch die Kühlung einerseits und die Wärmezufuhr andererseits wird eine entsprechende Temperaturdifferenz zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche hergestellt, wodurch das Thermoelement elektrische Energie erzeugen kann. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen ein (direkter) Wärmeleitungskontakt zwischen dem Thermoelement und dem Photovoltaikelement besteht, kann nicht nur die an der Rückseite des Photovoltaikelements entstehende Wärme zur Stromerzeugung genutzt werden, sondern das Thermoelement kühlt zusätzlich noch das entsprechende Photovoltaikelement durch die Wärmeabfuhr, wodurch der Wirkungsgrad des Photovoltaikelements, der temperaturabhängig ist, ebenfalls gesteigert wird. The heat dissipation region of the at least one thermocouple is at least partially traversed by a fluid, such as, for example, air or water. In some embodiments, for example, passing air flows along the second surface of the thermocouple and thereby cools it on the second surface. By cooling on the one hand and the heat supply on the other hand, a corresponding temperature difference between the first surface and the second surface is produced, whereby the thermocouple can generate electrical energy. In embodiments in which there is a (direct) heat conduction contact between the thermocouple and the photovoltaic element, not only the heat generated at the back of the photovoltaic element can be used to generate electricity, but the thermocouple additionally cools the corresponding photovoltaic element by the heat dissipation, whereby the efficiency of the photovoltaic element, which is temperature dependent, is also increased.
Zurückkommend zu Fig. 1 ist dort ein Ausführungsbeispiel einer Stromerzeugungsvorrichtung 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Stromerzeugungsvorrichtung weist ein Thermoelement 2 auf, das zwischen einem Wärmezufuhrbereich 6 und einem Wärmeabfuhrbereich 7 angeordnet ist. Returning to Fig. 1, there is shown an embodiment of a power generating device 1 in accordance with the present invention. The power generation device has a thermocouple 2, which is arranged between a heat supply region 6 and a heat removal region 7.
Das Thermoelement 2 hat eine rechwinklige, plattenartige Form und ist aus einem Halbleitermaterial 3 gebildet, das sandwichartig zwischen zwei Platten 4 und 5 angeordnet ist. Die obere Platte 4 bildet dabei eine erste Oberfläche an der Wärme über den Wärmezufuhrbereich 6 zugeführt wird, währen die untere Platte 5 ein zweite Oberfläche bildet an der Wärme an den Wärmeabfuhrbereich 7 abgegeben wird. Folglich entsteht bei entsprechender Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr eine Temperaturdifferenz zwischen der oberen Platte 4 und der unteren Platte 5, die zu einer Stromerzeugung im Halbleitermaterial 2 führt. The thermocouple 2 has a rectangular, plate-like shape and is formed of a semiconductor material 3 sandwiched between two plates 4 and 5. In this case, the upper plate 4 forms a first surface on which heat is supplied via the heat supply region 6, while the lower plate 5 forms a second surface on the heat to the heat removal region 7 is delivered. Consequently, with appropriate heat supply and heat dissipation, a temperature difference between the upper plate 4 and the lower plate 5, which leads to a power generation in the semiconductor material 2.
Wie bereits erwähnt, weist bei manchen Ausführungsbeispielen die Stromerzeugungsvorrichtung eine Vielzahl von Thermoelementen 2 auf, die in Reihe geschaltet sind und bspw. in einem Array angeordnet sind. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die obere 4 und untere Platte 5 durchgehend ausgestaltet sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen hingegen hat jedes Thermoelement eine einzelne Platte oder es sind Mischformen verwirklicht, in denen bspw. mehrere Thermoelemente zu einem Module zusammengefasst sind und diese Module jeweils eine obere und eine unteren Platte aufweist. As already mentioned, in some embodiments, the power generation device has a plurality of thermocouples 2, which are connected in series and, for example, are arranged in an array. In such embodiments, the upper 4 and lower plates 5 may be continuous. In other embodiments, however, each thermocouple has a single plate or mixed forms are realized in which, for example, several thermocouples are combined to form a module and these modules each having an upper and a lower plate.
Die Stromversorgungsvorrichtung ist entsprechend einfach in Kühlanlagen und Kühlkreisläufen jeglicher Art und zur Restwärmenutzung einsetzbar. The power supply device is correspondingly easy to use in cooling systems and cooling circuits of any kind and the residual heat.
Dazu muss die Stromversorgungsvorrichtung nur so in die Kühlanlage oder den Kühlreislauf oder dergleichen eingesetzt werden, dass Wärme in den Wärmezufuhrbereich 6 zugeführt wird und Wärme in dem Wärmeabfuhrbereich 7 abgeführt wird. For this purpose, the power supply device must be used only in the cooling system or the cooling circuit or the like, that heat is supplied to the heat supply region 6 and heat is dissipated in the heat dissipation region 7.
Dies ist in Fig. 1 durch entsprechende Pfeile 8 und 9 dargestellt. Der obere Pfeil 8, der in Richtung des Wärmezufuhrbereiches 6 zeigt, steht dabei für eine Wärmezufuhr bspw. von einem Kühlkreislauf, von einer geothermischen Wärmequelle stammend oder von irgendeiner anderen geeigneten (Rest- Wärmequelle. Dabei wird die (Rest-)Wärme bspw. durch Wasserleitungen oder durch eine andersartig geeignete Wärmetransportleitung in den Wärmezufuhrbereich 6 zugeführt und dort, bspw. durch direkten oder indirekten (bspw. durch Wärmetauscher) wärmeleitenden Kontakt zur oberen Platte 4 oder durch Wärmestrahlung an die obere Platte 4 abgegeben. Dadurch erhitzt sich das Thermoelement 2 von der oberen Platte 4 her. This is shown in Fig. 1 by corresponding arrows 8 and 9. The upper arrow 8, which points in the direction of the heat supply region 6, stands for a heat supply, for example from a cooling circuit originating from a geothermal heat source or from any other suitable (residual heat source Water pipes or by another suitable heat transfer line in the heat supply area 6 and there, for example, by direct or indirect (eg., By heat exchanger) thermally conductive contact to the upper plate 4 or by heat radiation to the upper plate 4 is discharged the upper plate 4 ago.
Bei dem Durchgang des Wärmezuführenden Mediums durch Wärmezufuhrbereich 6 kühlt sich das Medium entsprechend ab, bspw. von Temperatur T1 auf eine niedrigere Temperatur T2. Im unteren Wärmeabfuhrbereich 7 hingegen, wird Wärme, wie durch Pfeil 9 angedeutet, bspw. mittels eines Rücklaufes eines Kühlsystems, Kühlkreislaufes oder eines Rücklaufes/Reinjektion nach thermischer Nutzung oder durch Kühlung bspw. mittels Luft, Wasser, Grundwasser abgeführt. Dabei erwärmt sich das durch den Wärmeabfuhrbereich 7 laufende Wärmetransportmedium, bspw. von einer Temperatur T3 auf eine höhere Temperatur T4. Die untere Platte 5 kann dabei die Wärme an das Wärmetransportmedium entweder durch direkten oder indirekten Wärmeleitungskontakt abgeben oder durch Wärmestrahlung. In the passage of the heat-supplying medium through the heat supply region 6, the medium cools down accordingly, for example. From temperature T1 to a lower temperature T2. In the lower heat dissipation area 7, however, heat, as indicated by arrow 9, for example, by means of a return of a cooling system, cooling circuit or a return / reinjection after thermal use or by cooling, for example, by means of air, water, groundwater dissipated. In doing so, the heat transport medium passing through the heat removal region 7, for example, from a temperature T3 to a higher temperature T4, heats up. The lower plate 5 can deliver the heat to the heat transfer medium either by direct or indirect heat conduction contact or by thermal radiation.
Insbesondere bei Verwendung einer Vielzahl von Thermoelement kann die Stromerzeugungsvorrichtung bspw. auch im industriell-technischen Umfeld zur Stromerzeugung zum Einsatz kommen und es kann grundsätzlich jede beliebige Art von Wärmequelle oder Restwärme in Kühlanlagen, Kühlsystemen, Kühlkreisläufen oder dergleichen zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werde. Die Stromerzeugungsvorrichtung 1 kann auch bei manchen Ausführungsbeispielen bei anderen Wärmetransportvorrichtungen verwendet werden, wie bspw. einer Geothermieanlage 1 1 mit bspw. nachgeschaltetem Geothermiekraftwerk 15 und sogar, bspw. bei einzelnen Häusern 16, die an ein Fernwärmenetz angeschlossen sind (Fig. 2 und 3). Eine Geothermieanlage 11 , wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, weist im Allgemeinen eine Förderbohrung auf, aus der warmes Wasser für einen Vorlauf 12 entnommen wird und eine Reinjektionsbohrung durch die (kaltes) Wasser durch einen (kälteren) Rücklauf 13 wieder in die Erde zur erneuten Erwärmung gepumpt wird. Dabei bilden der Vorlauf 12 und der Rücklauf 13 einen eigenen Geothermiekreislauf A, der bspw. durch einen Wärmetauscher WT von einem Fernwärmekreislauf B getrennt ist, der ein Geothermiekraftwerk 15 und Häuser 16 mit Wärme versorgt. In particular, when using a plurality of thermocouple, the power generating device, for example, in industrial-technical environment for power generation are used and it can basically any type of heat source or residual heat in cooling systems, cooling systems, cooling circuits or the like will be used to generate electrical energy. The power generating device 1 can also be used in other embodiments in other heat transport devices, such as. A geothermal plant 1 1 with, for example. Downstream geothermal power plant 15 and even, for example. For individual houses 16 which are connected to a district heating network (FIGS. 2 and 3) , A geothermal plant 11, as shown in FIGS. 2 and 3, generally has a production well from which hot water for a feed 12 is taken and a re-injection well through the (cold) water through a (colder) return 13 back into the earth is pumped to reheat. In this case, the flow 12 and the return line 13 form their own geothermal cycle A, which is separated, for example, by a heat exchanger WT from a district heating circuit B, which supplies a geothermal power plant 15 and houses 16 with heat.
Über den Wärmetauscher WT gelangt die Wärme aus der Erde über eine Vorlaufleitung 18 zum Geothermiekraftwerk 15 und zu den einzelnen Häusern 16. Das Geothermiekraftwerk 15 und die Häuser 16 entnehmen als Wärmeverbraucher über entsprechende Wärmetauscher Wärme aus der Vorlaufleitung 18, die mit einem Wärmetransportmedium wie z.B. Wasser gefüllt ist. Das durch die Wärmentnahme abgekühlte Wasser wird dann mittels einer Rücklaufleitung 19 zurück zu dem Wärmetauscher WT geführt und dann dort, je nach Temperatur, wieder mittels des Rücklaufs 13 des Goethermiekreislaufes A durch die Reinjektionsbohrung in die Erde gepumpt (und dort wieder erwärmt). Die Stromerzeugungsvorrichtung, die jeweils als TEG in Fig. 3 bezeichnet ist, kann nun an den verschiedensten Stellen sowohl im Geothermiekreislauf A als auch im Fernwärmekreislauf B zur thermoelektrischen Energiegewinnung (TEG) platziert werden. Dabei werden die Stromerzeugungseinrichtungen so platziert, dass eine bestehende funktions- und betriebsbedingte Temperaturdifferenz genutzt wird. Mit dieser zusätzlichen Wärmenutzung wird der Rücklauf weiter ausgekühlt und damit die bereits zu Tage geförderte Erdwärme besser ausgenutzt. Via the heat exchanger WT, the heat from the earth via a flow line 18 to the geothermal power plant 15 and to the individual houses 16. The geothermal power plant 15 and the houses 16 remove as a heat consumer via appropriate heat exchanger heat from the flow line 18, with a heat transport medium such as water filled is. The cooled by the heat removal water is then fed back to the heat exchanger WT by means of a return line 19 and then there, depending on the temperature, again pumped by the return 13 of the Goethermiekreislaufes A through the re-injection well into the earth (and reheated there). The power generating device, which is designated in each case as TEG in Fig. 3, can now be placed at various points both in the geothermal cycle A and in the district heating cycle B for thermoelectric energy production (TEG). The power generation facilities are placed so that an existing functional and operational temperature difference is used. With this additional use of heat, the return is further cooled and thus better exploited the geothermal energy already produced.
Die Stromerzeugungsvorrichtung kann dabei bspw. zwischen dem Vorlauf 12 und dem Rücklauf 13 im Geothermiekreislauf eingesetzt werden oder auch nur im Rücklauf 13. Dabei kann bspw. die Stromerzeugungsvorrichtung 1 verwendet werden, um den Rücklauf 13 weiter abzukühlen. Dabei wird bspw. der Rücklauf 13 in den Wärmezufuhrbereich 6 der Stromerzeugungsvorrichtung 2 (s. Fig. 1) geführt, sodass dort Restwärme im Rücklauf 13 abgegeben werden kann. Auf der Wärmeabfuhrseite 7 kann bspw. Grundwasser oder Luft oder ein anderes Kühlmittel verwendet werden, das kälter als die Rücklauftemperatur ist, sodass eine entsprechende Temperaturdifferenz zur Stromerzeugung hergestellt werden kann. The power generating device can be used, for example, between the flow 12 and the return line 13 in the geothermal cycle or even in the return 13. Here, for example, the power generating device 1 can be used to further cool the return line 13. In this case, for example, the return 13 is guided into the heat supply region 6 of the power generation device 2 (see FIG. 1), so that residual heat in the return flow 13 can be released there. For example, groundwater or air or another coolant that is colder than the return temperature can be used on the heat removal side 7, so that a corresponding temperature difference can be produced for power generation.
Auf ähnliche Weise kann bspw. die Stromerzeugungsvorrichtung 1 zur weiteren Auskühlung des Rücklaufes vom Geothermiekraftwerk 15 eingesetzt werden oder bspw. zu weiteren Auskühlung der Rückläufe 17 der jeweiligen Häuser 16. Dabei wird ebenfalls der jeweilige Rücklauf des Geothermiekraftwerks 15 bzw. die Rückläufe 17 der Häuser 16 in den Wärmezufuhrbereich 6 der Stromerzeugungsvorrichtung 1 geführt, sodass dort Restwärme abgegeben und zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Auf der Wärmeabfuhrseite 7 kann bspw. die Wärme mittels Grundwasser, Luftkühlung oder dergleichen abgeführt werden. Außerdem kann die Stromerzeugungsvorrichtung 1 auch jeweils zwischen den Vor- und Rücklauf des Geothermiekraftwerks 15 oder der Häuser 16 eingesetzt werden. In diesen Fällen wird der jeweilige Vorlauf in den Wärmezufuhrbereich 6 und der Rücklauf durch den Wärmeabfuhrbereich 7 der Stromerzeugungsvorrichtung 1 geführt. In a similar manner, for example, the power generating device 1 can be used for further cooling of the return from the geothermal power plant 15 or, for example, to further cooling the returns 17 of the respective houses 16. In this case also the respective return of the geothermal power plant 15 and the returns 17 of the houses 16 led into the heat supply region 6 of the power generating device 1, so that there can be given residual heat and used to generate electricity. On the heat dissipation side 7, for example, the heat can be dissipated by means of groundwater, air cooling or the like. In addition, the power generating device 1 can also be used in each case between the supply and return of the geothermal power plant 15 or the houses 16. In these cases, the respective flow into the heat supply region 6 and the return is guided by the heat removal region 7 of the power generating device 1.
Grundsätzlich kann also die Stromerzeugungsvorrichtung 1 immer dann verwendet werden, wenn eine zur Stromerzeugung geeignete Temperaturdifferenz hergestellt werden kann. In principle, therefore, the power generating device 1 can always be used when a temperature difference suitable for generating power can be produced.
So kann bei manchen Ausführungsbeispielen wenigstens ein Thermoelement 2 bzw. wenigstens eine Stromerzeugungsvorrichtung 1 in Kombination mit Photovoltaikelementen/-platten und oder Photovoltaikbauteilen verwendet werden. Thus, in some embodiments at least one thermocouple 2 or at least one power generation device 1 can be used in combination with photovoltaic elements / plates and / or photovoltaic components.
Eine Photovoltaikanlage besteht normalerweise aus einer Vielzahl von Photovoltaikelementen, von denen in Fig. 4 ein einzelnes Photovoltaikelement 20 schematisch dargestellt ist. Sonnenstrahlung 22 trifft auf eine Vorderseite 21 des Photovoltaikelements 20 auf und wir dann in dem Photovoltaikelement 20 in elektrische Energie umgewandelt. A photovoltaic system normally consists of a plurality of photovoltaic elements, of which a single photovoltaic element 20 is shown schematically in FIG. Solar radiation 22 impinges on a front side 21 of the photovoltaic element 20 and we are then converted into electrical energy in the photovoltaic element 20.
Durch die Sonnenstrahlung 21 wird das Photovoltaikelement erheblich aufgeheizt, was dessen Wirkungsgrad deutlich herabsetzt. Bei einer Montage auf einem Dach 25 erfolgt durch die Hinterlüftung, das heißt einen auf der Schattenseite des Photovoltaikelements 20 entlangfließenden Luftstrom 24, eine Kühlung auf der Schattenseite der Photovoltaikelemente 22. By the solar radiation 21, the photovoltaic element is considerably heated, which significantly reduces its efficiency. When mounted on a roof 25 is carried out by the rear ventilation, that is, on the shadow side of the photovoltaic element 20 along flowing air flow 24, a cooling on the shadow side of the photovoltaic elements 22nd
Dadurch entsteht einen Temperaturdifferenz zwischen einer Rückseite 23 des Photovoltaikelements 22 und dem dahinter mittels Luftstrom 24 gekühlten Bereich 7. Durch eine entsprechende Anordnung einer Stromerzeugungsvorrichtung 1 , wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, kann die durch die Sonneinstrahlung erzeugte Wärme weiter genutzt werden. This produces a temperature difference between a rear side 23 of the photovoltaic element 22 and the area 7 cooled behind it by air flow 24. By a corresponding arrangement of a power generation device 1, as explained in connection with FIG. 1, the heat generated by the solar radiation can be used further.
Dazu ist die Stromerzeugungsvorrichtung 1 mit der oberen Platte 4 in Wärmekontakt mit der Rückseite 23 des Photovoltaikelements 22, d.h. im Wärmezufuhrbereich 6 der Stromerzeugungsvorrichtung 1 , angeordnet. Dadurch kann die Wärme an der Rückseite 23 des Photovoltaikelements 22 über die Platte 4 an das Halbleitermaterial 3 übertragen werden. For this purpose, the power generation device 1 with the upper plate 4 in thermal contact with the back 23 of the photovoltaic element 22, ie in the Heat supply region 6 of the power generation device 1, arranged. As a result, the heat at the rear side 23 of the photovoltaic element 22 can be transmitted to the semiconductor material 3 via the plate 4.
Die untere Platte 4 auf der kalten Seite des Thermoelements 2 wird durch den Luftstrom 24, der in einem Wärmeabfuhrbereich 7 entlangströmt, gekühlt. Dadurch entsteht eine entsprechende Temperaturdifferenz in der Stromerzeugungsvorrichtung 1 , die zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Folglich wird die von dem Photovoltaikelement 22 nicht umgewandelte Wärme weiter in elektrische Energie umgewandelt. Durch die Wärmeabfuhr der Stromerzeugungsvorrichtung 1 von der Rückseite 23 des Photovoltaikelements 22 wird zusätzlich das Photovoltaikelement 22 gekühlt und dadurch dessen Wirkungsgrad erhöht. The lower plate 4 on the cold side of the thermocouple 2 is cooled by the air flow 24, which flows in a heat removal region 7. This results in a corresponding temperature difference in the power generation device 1, which can be used to generate electricity. Consequently, the unconverted heat from the photovoltaic element 22 is further converted into electrical energy. By the heat dissipation of the power generating device 1 from the back 23 of the photovoltaic element 22, the photovoltaic element 22 is additionally cooled and thereby increases its efficiency.
Folglich lässt sich durch den entsprechenden Einsatz der Stromerzeugungsvorrichtung 1 die Effizienz einer Photovoltaikanlage entsprechend steigern. Consequently, the efficiency of a photovoltaic system can be correspondingly increased by the corresponding use of the power generation device 1.
Bei manchen Ausführungsbeispielen sind eine Vielzahl von Photovoltaikelementen und eine entsprechende Vielzahl von Thermoelementen bzw. Stromerzeugungsvorrichtungen in einem Array zusammengefasst, um eine möglichst großflächige Photovoltaikanlage bereitzustellen. In some embodiments, a plurality of photovoltaic elements and a corresponding plurality of thermocouples or power generation devices are combined in an array to provide the largest possible photovoltaic system.

Claims

SCHUTZANSPRÜCHE PROTECTION CLAIMS
1. Stromerzeugungsvorrichtung, umfassend: wenigstens ein Thermoelement (2), das eine erste Oberfläche (4) zur Aufnahme von Wärme aufweist und eine zweite Oberfläche (5) zur Abgabe von Wärme und das eingerichtet ist, aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten (4) und der zweiten Oberfläche (5) elektrische Energie zu erzeugen; wenigstens einen Wärmezuführbereich (6), der der ersten Oberfläche (4) des wenigstens einen Thermoelements (2) Wärme zuführt; und wenigstens einen Wärmeabführbereich (7), der Wärme von der zweiten Oberfläche (5) des wenigstens einen Thermoelements (2) abführt. A power generation apparatus comprising: at least one thermocouple (2) having a first surface (4) for receiving heat and a second surface (5) for emitting heat and being adapted to cause a temperature difference between the first (4) and generate the second surface (5) electrical energy; at least one heat supply section (6) supplying heat to the first surface (4) of the at least one thermocouple (2); and at least one heat dissipating portion (7) for dissipating heat from the second surface (5) of the at least one thermocouple (2).
2. Stromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher das Thermoelement (2) ein Halbleitermaterial (3) umfasst. A power generating device according to claim 1, wherein the thermocouple (2) comprises a semiconductor material (3).
3. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter ein Array mit einer Vielzahl von Thermoelementen aufweisend, wobei die Thermoelemente elektrisch in Reihe geschaltet sind. 3. A power generation apparatus according to any one of the preceding claims, further comprising an array having a plurality of thermocouples, wherein the thermocouples are electrically connected in series.
4. Wärmetransportvorrichtung, insbesondere eine Geothermie-, Fernwärme oder Kühlanlage, umfassend eine Stromerzeugungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wäimetransportvorrichtung einen wärmeführenden Transportkreislauf mit einem Wärmetransportmedium aufweist, der Transportkreislauf wenigstens einen Vorlauf (12, 18) und einen Rücklauf (13, 17, 19) aufweist, wobei das Wärmetransportmedium im Vorlauf (12, 18) eine höhere Temperatur als im Rücklauf (13, 17, 19) hat, der Vorlauf (12, 18) wenigstens teilweise im Wärmezuführbereich (6) der Stromerzeugungsvorrichtung (1) angeordnet ist, und der Rücklauf (13, 17, 19) wenigstens teilweise im Wärmeabführbereich der Stromerzeugungsvorrichtung (7) angeordnet ist. 4. Heat transport device, in particular a geothermal, district heating or cooling system, comprising a power generating device (1) according to one of the preceding claims, wherein the Wäetwransportvorrichtung has a heat-carrying transport circuit with a heat transport medium, the transport circuit at least one flow (12, 18) and a return ( 13, 17, 19), wherein the heat transport medium in the flow (12, 18) has a higher temperature than in the return (13, 17, 19), the flow (12, 18) at least partially in the heat supply region (6) of the power generating device ( 1), and the return (13, 17, 19) at least partially in the heat dissipation of the Power generating device (7) is arranged.
5. Photovoltaikvorrichtung zum Erzeugen von Strom, eine Stromerzeugungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfassend, wobei die Photovoltaikvorrichtung wenigstens ein Photovoltaikelement (20) mit einer Vorderseite (21) zum Auffangen von Sonnenstrahlen und eine Rückseite (23) aufweist; die Rückseite (23) des wenigstens einen Photovoltaikelements (20) wenigstens teilweise im Wärmezufuhrbereich (6) für das wenigstens eine Thermoelement (2) angeordnet ist; und der Wärmeabführbereich (7) wenigstens teilweise von einem Fluid (24), insbesondere Luft oder Wasser, durchströmt wird. 5. A photovoltaic device for generating electricity, comprising a power generating device (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the photovoltaic device comprises at least one photovoltaic element (20) having a front side (21) for catching sun rays and a back (23); the rear side (23) of the at least one photovoltaic element (20) is arranged at least partially in the heat supply region (6) for the at least one thermocouple (2); and the heat removal area (7) at least partially by a fluid (24), in particular air or water, is flowed through.
6. Photovoltaikvorrichtung nach Anspruch 5, welche eine Vielzahl von Photovoltaikelementen (20) und eine entsprechende Vielzahl von Thermoelementen (2) aufweist, wobei an jeder Rückseite eines Photovoltaikelements (22) wenigstens ein Thermoelement (2) angeordnet ist. A photovoltaic device according to claim 5, comprising a plurality of photovoltaic elements (20) and a corresponding plurality of thermocouples (2), wherein at least one thermocouple (2) is disposed on each back side of a photovoltaic element (22).
7. Photovoltaikvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher das Thermoelement (2) in einem wärmeleitenden Kontakt zum Photovoltaikelement (22) angeordnet ist. 7. Photovoltaic device according to claim 5 or 6, wherein the thermocouple (2) is arranged in a thermally conductive contact with the photovoltaic element (22).
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