AT13407U1 - Spannungsmodulierter thermo-elektrischer Generator - Google Patents

Abstract

Spannungsmodullierter Thermo Elektrischer Generator mit einer Wärmeaufnahmekomponente bestehend aus zwei wärmeleitenden Abdeck-Leichtmetall- oder Keramikplatten, in welche sandwich-förmig die flachkontaktierten Thermo-Elementzellen aus leitenden /halbleitenden Materialien mit verschiedenen Spannungsreihen integriert sind. Die Wärmeeinfuhr wird über die Abdeckplatten direkt kontaktierend oder direkt durch Wärmeträger zugeführt. Die Verbindungskomponenten bestehen aus dem gleichen Material wie die Thermozellen jedoch ohne zusätzliche Wärmeaufnahme. Die Wärmesenke ist baugleich mit der Wärmeaufnahme und besteht aus den Abdeckplatten und dem gleichen Material wie die Thermozellen in serieller- oder paralleler Schaltung. Gleichzeitig wird für Einzelzellen die Wärme abgeführt. Der Spannungsmodulator regelt den thermischen Anlauf im Generator und hält die Spannung konstant in Abhängigkeit von Temperaturniveau der Wärmequelle und der Temperaturdifferenz gegenüber der Wärmeabfuhr.

Description

österreichisches Patentamt AT 13 407 Ul 2013-12-15 1 Titel der Erfindung: [0001] Spannungsmodulierter Thermo Elektrischer Generator mit Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke 2 Zusammenfassung: [0002] Bei der Erfindung handelt es sich um einen spannungsmodulierten Thermo Elektrischer Generator mit signifikanter Räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke nach Thomas Johann Seebeck (veröffentlicht 1823), der es erlaubt jegliche Wärmezufuhr in einem thermischen Band von 30'C bis 1200^ mit jeglicher Wärmesenke zu kombinieren und aus den daraus resultierenden Temperaturdifferenzen höchst effizient elektrische Leistung zu erbringen. 3 Beschreibungseinleitung [0003] Wir beziehen uns mit dieser Erfindung auf das technische Gebiet der erneuerbaren / alternativen Energiegewinnung in Form von nutzbarer elektrischer Leistung.

[0004] Die Erfindung betrifft einen neuartigen spannungsmodulierten Thermo Elektrischer Generator mit signifikanter räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke nach Seebeck Effekt mit flachkontaktierten Leiter/Halbleiter-Thermozellen, basierend auf dem von uns neu entwickelten Verfahren, wobei die Hauptkomponenten Wärmeaufnahme -Wärmegefälle -Wärmesenke voneinander räumlich getrennt sind und es im Bereich Wärmegefälle zu keine zusätzlichen Wärmeaufnahme kommt.

[0005] Das Einsatzgebiet der Erfindung (ein und derselbe Generator) erstreckt sich zur Energiegewinnung über jegliche Wärmezufuhr von 30^0 bis 1200^0 direkt kontaktierend oder indirekt durch Wärmeträger, wie Abwärme, jegliche Abgaswärme, Abwärme von Verbrennungsmotoren, industrielle Abwärme, Haus- und Haushaltsabwärme, Fernwärme, Automotive, Marine, Kraftwerksabwärme, geothermischer Wärme, Solarthermie. Als Wärmeabführung kann natürliche Konvektion oder/und Luftkühlung sowie Flüssigkeitskühlung verwendet werden.

[0006] Abkürzungen: [0007] TEG = Thermo Elektrischer Generator 4 Stand der Technik: [0008] Im Jahre 1823 gab es weder Halbleiter, noch die Grundlagen für Halbleitertechnologie. Johann Thomas Seebeck hat in seinen Versuchen mit Leitermetallen gearbeitet und seinen Effekt bewiesen.

[0009] Fast alle aktuell auf dem Markt befindlichen Thermo Elektrischen Generatoren basieren auf Halbleitertechnologie, n-dotierte und p-dotierte Zellen, mit einem geringfügigen Wirkungsgrad. Erschwerend für den elektrischen Output kommt bei diesen gerade angesprochenen TEGs die hohe Temperaturempfindlichkeit hinzu wie auch die Abhängigkeit von den Materialeigenschaften und deren Zerfallsprozessen nicht zuletzt im Hinblick auf die thermische Zyklenfestigkeit.

[0010] Ebenfalls zu einschränkenden Effekten bei den bestehenden Leiter- und auch Halbleiter TEGs muss hinzugerechnet werden, dass die Wärmeaufnahmequelle und die Wärmesenke an ein- und derselben Kontaktstelle eingebunden werden müssen eben ohne signifikante räumliche Trennung, wie auch dass bei Halbleiter TEGs lediglich Temperaturdifferenzen von 70°K bis zu einer maximalen Wärmequelle von 200 °C - 250 °C verwertbar sind.

[0011] Aus den ursächlichen Materialeigenschaften der nicht-räumlichen Trennung von Wärmeaufnahme und Wärmesenke resultierend stellen Elektrostrom- und Wärmestromsynchronisation für bestehende TEGs ein Problem dar, weswegen es die Notwendigkeit gibt z.B. durch Tunneling und andere komplizierten Maßnahmen diese beiden Ströme von einander zu tren- 1 /10 österreichisches Patentamt AT 13 407 Ul 2013-12-15 nen, was eigentlich nicht im Einklang mit dem ursprünglich veröffentlichten Seebeck Effekt steht.

[0012] Darüber hinaus ist durch die nicht-räumliche Trennung von Wärmeaufnahme und Wärmesenke ist die Elektronenstreuung unkontrollierbar hoch, was wiederum die Spannungsausbeute massiv negativ beeinflusst und damit den Wirkungsgrad niedrig hält.

[0013] Pro 40 °K Temperaturunterschied kann der Halbleiter Thermo Generator lediglich ca. 1% der im Wärmestrom enthaltenen Energie in elektrische Energie umformen. Darüber hinaus wird dem Generatoreffekt durch die Joulsche Wärme und auch die Wärmeleitung gegen gearbeitet und somit die Leistungsfähigkeit vermindert. Der Ausfall eines einzigen Halbleiterelementes (z.B. durch Feuchtigkeitsschlag, Hochtemperatur, Materialzersetzung, etc..) bedeutet automatisch den Ausfall des gesamten Generators. Eine Elektronen-Streuung ist unvermeidlich.

[0014] Thermo Elektrische Generatoren basieren auf leitenden Materialien (Metalle) und haben bis dato kaum Chance auf technischen oder kommerziellen Erfolg - lediglich in der Hochtemperaturmessung (Thermo-Elemente) oder in der Raumfahrt.

[0015] Grund dafür ist wohl, dass pro Kontaktstelle lediglich geringfügige 0,002 - 0,005 Volt Spannung produziert werden können - in Abhängigkeit von der Kontaktfläche in mm2 sowie der Temperaturdifferenz AT. 5 Aufgabe der Erfindung: [0016] Mit Hilfe des spannungsmodulierten Thermo Elektrischen Generators mit signifikanter räumlicher Trennung der Hauptkomponenten Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke werden die allgemein bestehenden Probleme in der Energiegewinnung aus Temperaturdifferenzen nach Seebeck Effekt überwunden - die Probleme sind hauptsächlich: [0017] *) Elektronenzerstreuung [0018] *) Elektronen-und Wärmestromsynchronisation [0019] *) Thermodiffusion [0020] *) Joulscher Effekt [0021] *) Wärmeleitung [0022] *) Begrenzung der Einsatzgebiete aufgrund geringer Temperaturbeständigkeit gegen

Hitze über 200°C

[0023] *) Ausfallsanfälligkeit durch Serienschaltung [0024] *) Beschränkung der Lebensdauer durch Zyklenbelastung [0025] *) niedriger Wirkungsgrad [0026] *) geringe Leistung im Verhältnis zur eingesetzten Energie [0027] Grundsätzlich ist es die Aufgabe der Erfindung nicht nur diese Probleme zu lösen, sondern den Wirkungsgrad zu erhöhen, die Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern und vor allem ein nutzbares und passables Spannungs- und Leistungsniveau zu erreichen. 6 Lösung der gestellten Aufgabe: [0028] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass eine Trennung der Wärmeaufnahme von der Wärmesenke durch ein Temperaturgefälle ermöglicht wird, welches eine signifikante räumliche Trennung der beiden Temperaturseiten darstellt. Gleichzeitig ermöglicht dieser Aufbau ein höheres Temperaturniveau wie auch höhere Temperaturdifferenzen und eine Synchronisation von Elektronen- und Wärmestrom in gleicher Richtung.

[0029] Unter gleichen Bedingungen wie beim bisherigen Stand der Technik betreffend Temperaturniveau und Temperaturdifferenz wird die erzeugte Zellenspannung im spannungsmodulier- 2/10 österreichisches Patentamt AT 13 407 Ul 2013-12-15 ten Thermo Elektrischen Generator mit signifikanter räumlicher Trennung der Hauptkomponenten Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke im Vergleich zur bis dato bekannten Zellenspannung deutlich erhöht und ermöglicht somit ein breitgefächertes nutzbares Spannungsund Leistungsniveau.

[0030] Gleichzeitig werden Elektronenstreuung und Rückfluss der Elektronen sowie die daraus resultierende Thermodiffusion unterbunden. Durch kontrollierte Modulation wird das gewünschte Spannungs- und Leistungsniveau erreicht.

[0031] Mit Hilfe des spannungsmodulierten Thermo Elektrischen Generators mit signifikanter räumlicher Trennung der Hauptkomponenten Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke werden die allgemein bestehenden Probleme in der Energiegewinnung aus Temperaturdifferenzen nach Seebeck Effekt überwunden - die aktuellen Probleme der bestehen Leiter- und Halbleiter TEGs werden durch unsere Erfindung in der Form verbessert: [0032] *) Elektronenzerstreuung zu kontrollieren und unterbinden [0033] *) Elektrostrom- und Wärmestromsynchronisation in gleicher Flussrichtung [0034] *) keine Begrenzung der Einsatzgebiete aufgrund geringer Temperaturbeständigkeit [0035] *) keinerlei Ausfallsanfälligkeit [0036] *) Verbesserung des derzeitigen niedrigen Wirkungsgrades [0037] Schlussendlich ist anzumerken, dass die für alle im Stand der Technik befindlichen TEGs notwendige Trennung von Elektronen- und Wärmestrom für unseren spannungsmodulierten Thermo Elektrischen Generator mit Trennung der Hauptkomponenten Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke nicht zielführend und sogar kontraproduktiv ist, da die durch die thermische Energieaufnahme kinetisch aufgeladenen Elektronen aus Ihrem äußeren Valenzband gelöst werden und sich mit einem Teil der aufgenommenen thermischen Ladung entlang des Wärmegefälles zur Wärmesenke hin beschleunigen um dann erst dort die Wärme abzugeben. Somit sind Wärme- und Elektronenstrom in die gleiche Flussrichtung eine zwingende Notwendigkeit getreu Seebeck Effekt, wo dann in der Wärmesenke die Wärme abgegeben wird und gleichzeitig eine hohe Ausbeute an elektrischer Leistung gewonnen werden kann. Also ist die Zusammenführung von Elektronen- und Wärmestrom in die gleiche Richtung äußerst vorteilhaft für die Ernte der gewonnenen elektrischen Leistung. Damit wird nicht nur dem eigentlichen Seebeck Effekt entsprochen sondern es sind auch die Hauptsätze der Thermodynamik erfüllt.

[0038] Durch den Elektronen-Rückfluss des Verbrauchers wird eine gegenläufige Elektronendiffusion unterbunden und der durch die Wärme energetisierte Elektronenfluss über das Wärmegefälle zur Wärmesenke hin zusätzlich richtig orientiert. 7 Effekte der Erfindung: [0039] Durch die Erfindung des spannungsmodulierten Thermo Elektrischen Generators mit signifikanter räumlicher Trennung der Hauptkomponenten Wärmeaufnahme - Wärmegefälle -Wärmesenke wird [0040] *) die nutzbare Spannung erhöht [0041] *) eine leichtere Anpassung der umweltfreundlichen Energiegewinnung an alle Wärme quellen, auch mit höherem Temperaturniveau, ermöglicht [0042] *) ein höheres AT ermöglicht [0043] Gleichzeitig werden die gemeinhin auftretenden negativen Effekte wie Joulscher Effekt, Wärmeleitung, Elektronenstreuung minimalisiert, bzw. unterbunden.

[0044] Somit kann bei freier Wahl der Wärmequelle ohne Sorge vor Überhitzung des Generators eine Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme jeglicher Art ermöglicht werden. Mögliche Wärmequellen sind alle Arten von Abwärmeanlagen, geothermische Wärme und Solarthermie. 3/10 österreichisches Patentamt AT13 407U1 2013-12-15 8 Aufzählung und Kurzbeschreibung der Zeichnungsfiguren: [0045] FIG 1 zeigt schematisch den Funktionsablauf eines spannungsmodulierten Thermo

Elektrischen Generators mit signifikanter räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle -Wärmesenke.

[0046] FIG 2 zeigt in einer schematischen Darstellung die Anordnung der flachkontaktierten

Thermo-Elemente im spannungsmodulierten Thermo Elektrischer Generator mit signifikanter räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke.

[0047] FIG 3 zeigt schematische die Darstellung der Thermospannung und Elektronenbewe gung nach Seebeck und die Änderung durch den Einsatz des spannungsmodulierten Thermo Elektrischen Generators mit signifikanter räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke 9 Figurenbeschreibung: [0048] FIG 1 - Figur 1: Schema des Funktionsablaufes eines spannungsmodulierten Thermo Elektrischer Generator mit signifikanter räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke [0049] FIG 1 zeigt schematisch den Funktionsablauf eines eines spannungsmodulierten Thermo Elektrischer Generator mit signifikanter Räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke, bestehend aus vier Hauptkomponenten in folgender Reihenfolge: Wärmeaufnahme [2]: Die Wärmeaufnahmekomponente besteht aus zwei wärmeleitenden Ab-deck-Leichtmetall- oder Keramikplatten, in welche sandwich-förmig die flachkontaktierten Ther-mo-Elementzellen aus leitenden/halbleitenden Materialien mit verschiedenen Spannungsreihen integriert sind. Die Wärmeeinfuhr [1] wird über die Leichtmetallplatten oder Keramik direkt oder indirekt zugeführt.

[0050] Wärmegefälle [3]: ist die Verbindungskomponente zwischen Wärmeaufnahme [2] und Wärmeabgabe [4] und besteht aus dem gleichen Material wie die Thermozellen. Die Hauptaufgabe besteht darin den aufgrund des thermischen Gefälles entstandenen Elektronenfluss von Wärme zu Kälte ohne weitere Erwärmung zu gewährleisten. Bildlich betrachtet ist die Situation der Temperaturdifferenz AT ähnlich einer Abfahrtsstrecke mit starkem Gefälle, aufgrund dessen die Ladungsträger, die Elektronen, eine hohe Geschwindigkeitssteigerung erfahren, das Ergebnis ist eine daraus resultierende unweigerliche Leistungssteigerung.

[0051] Wärmesenke [4]: Die Aufbauweise ist identisch mit [2], jedoch wird in jeder einzelnen Zelle gemäß Seebeck-Effekt Wärme abgeführt - je nach Spannungs-/Leistungsniveau-Bedarf ist eine serielle oder parallele Schaltung möglich. Ein höchst unwahrscheinlicher Einzelzellenausfall kann ohne weiteres durch Einsatz einer Überbrückungsdiode ausgeglichen werden.

[0052] Spannungsmodulator [6]: Der Spannungsmodulator regelt den thermischen Anlauf im Generator und hält die Spannung konstant in Abhängigkeit von Temperaturniveau der Wärmequelle [1] und der Temperaturdifferenz gegenüber der Wärmeabfuhr [5] und synchronisiert den Elektronenstrom mit dem Wärmestrom in die gleiche Richtung, gleichzeitig wird der Elektronenstreuungseffekt vermindert oder sogar unterbunden.

[7] ist eine symbolische Darstellung der Verbraucher, wie Batterien, Last, etc.

[0053] FIG 2 - Figur 2: schematische Darstellung der Anordnung der flachkontaktierten Thermo-Elemente im spannungsmodulierten Thermo Elektrischen Generator mit signifikanter Räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke mit den Hauptkomponenten: Wärmeaufnahme [1], Wärmegefälle [2], Wärmesenke [3] [0054] FIG 3 - Figur 3: schematische Darstellung der Thermospannung und Elektronenbewegung in Bezug auf Seebeck-Effekt sowie die daraus resultierende Leistungssteigerung im spannungsmodulierten spannungsmodulierten Thermo Elektrischen Generator mit signifikanter räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke in Abhängigkeit von 4/10 österreichisches Patentamt AT 13 407 Ul 2013-12-15

Temperaturniveau und Temperaturdifferenz.

[1] - [3] stellen schematisch den bekannten Seebeck-Effekt dar.

[0055] Durch den Einsatz des spannungsmodulierten Thermo Elektrischen Generators mit signifikanter räumlicher Trennung von Wärmeaufnahme - Wärmegefälle - Wärmesenke aus FIG 3 werden die Elektronenstreuung und die gegenwirkenden Elektronen verhindert respektive minimalisiert. Die Elektronen werden Kräfte addierend [4][5] mit dem Wärmefluss synchronisiert. 5/10

Claims (4)

1. österreichisches Patentamt Ansprüche Anspruch 1
2. Anspruch 2
3. Anspruch 3
4. Anspruch 4 AT 13 407 U1 2013-12-15 ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke dadurch gekennzeichnet, dass er auf vier Hauptkomponenten WÄRMEAUFNAHME, WÄRMEGEFÄLLE, WÄRMESENKE und SPANNUNGSMODULATOR aufgebaut ist um gemäß Seebeck-Effekt thermische Energie direkt in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln. Erste Komponente Wärmeaufnahme: Die Wärmeaufnahmekomponente besteht aus zwei wärmeleitenden Abdeck-Leichtmetall- oder Keramikplatten, in welche sandwich-förmig die flachkontaktierten Thermo-Elementzellen aus leiten-den/halbleitenden Materialien mit verschiedenen Spannungsreihen integriert sind. Die Wärmeeinfuhr wird über die Abdeckplatten direkt kontaktierend oder indirekt durch Wärmeträger zugeführt. Zweite Komponente Wärmegefälle: Die Verbindungskomponenten bestehen aus dem gleichen Material wie die Thermozellen jedoch ohne zusätzliche Wärmeaufnahme. Dritte Komponente Wärmesenke: Dieser ist baugleich mit der Wärmeaufnahme und besteht aus den Abdeckplatten und dem gleichen Material wie die Thermozellen in serieller- oder paralleler Schaltung. Gleichzeitig wird für Einzelzellen die Wärme abgeführt. Vierte Komponente Spannungsmodulator: Dieser regelt den thermischen Anlauf im Generator und hält die Spannung konstant in Abhängigkeit von Temperaturniveau der Wärmequelle und der Temperaturdifferenz gegenüber der Wärmeabfuhr. ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke dadurch gekennzeichnet, dass er für Niedertemperaturwärme- und Hochtemperaturwärmequellen gleichermaßen eingesetzt werden kann. ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke nach Anspruch 1 und Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass dieser für jegliche Wärmezufuhr wie Abwärme, wie jegliche Abgaswärme, Abwärme von Verbrennungsmotoren, industrielle Abwärme, Haus- und Haushaltsabwärme, Fernwärme, Automotive, Marine, Kraftwerksabwärme, geothermischer Wärme, Solarthermie und Strahlungswärme gleichermaßen eingesetzt werden kann. ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Wärmezufuhrseite und Wärmeabfuhrseite nicht in einer Einheit vereint sein müssen und auch nicht sind. Sie sind voneinander getrennt durch ein Wärmegefälle ohne weitere Wärmeaufnahme 6/10 AT13 407U1 2013-12-15 österreichisches Patentamt Anspruch 5 ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch Varianz in der Zeilenzahl in Abhängigkeit von der Wärmequelle und der frei definierbaren Anzahl der Thermo-Zellen jegliches Spannungs- und Leistungsniveau nach Bedarf generiert werden kann. Anspruch 6 ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für die Wärmeaufnahme jegliche Wärme- oder Abwärmequelle in Strahlungsform, in flüssiger Form, in Abgasform, separat oder gleichzeitig direkt oder indirekt genutzt werden kann. Anspruch 7 ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für die Wärmesenke jegliche Wärmeabfuhr, sei es Konvektion, Lüftung oder Flüssigkühlung separat oder gemeinsam vorgenommen werden kann. Anspruch 8 ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Spannungsmodulierung Streuverluste durch Elektronenstreuung minimiert oder sogar unterbunden werden Anspruch 9 ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Spannungsmodulierung die Richtungsorientierung von thermischem Strom und Elektronenstrom von der Wärmeaufnahme über die Strecke des Wärmegefälles ohne weitere Erwärmung zur Wärmeabfuhr gewährleistet ist Anspruch 10 ein spannungsmodulierter Thermo Elektrischen Generator mit Wärmeaufnahme -Wärmegefälle - Wärmesenke nach Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, eine Unterbindung der gleichläufigen Richtungsorientierung von thermischem Strom und Elektronenstrom nicht notwendig ist und auch nicht zwingend getrennt werden muss. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 7/10