CN107110571B - 用于循环运行热电式电池布置***的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过周期性改变热电式电池布置***的温度来循环式运行所述热电式电池布置***的方法，其中，热电式电池布置***与循环运行的吸收式热泵热耦合。所述方法循环地执行以下方法步骤：在冷却阶段期间将热电式电池布置***与所述吸收式热泵的冷侧热耦合，在加热阶段期间将热电式电池布置***与所述吸收式热泵的热侧热耦合。本发明还涉及一种用于通过热电式电池布置***获得电能的收获装置，其中，所述热电式电池布置***具有与吸收式热泵的热耦合，通过所述热耦合能够在热电式电池布置***中实现按吸收式热泵的工作循环的节拍进行的温度变化。

Description

用于循环运行热电式电池布置***的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于循环运行热电式电池布置***的方法和一种为此设置的装置。
背景技术
热电式电池布置***是已知的。这种装置用于将热量转化成电能。与例如通过热电材料中恒定的温度梯度产生电压的塞贝克效应的情况不同，在热电式电池中，电压生成通过电池温度在时间上变化来实现。多个这种电池可以连接成一个电池组。在这种电池组中，通过温度变化产生电压。因此，热电的电池的特征就在于循环的工作方式。
这种循环过程的功率受到热传输的限制，所述热传输在热电式电池的温度变化时是必要的。这种电池此外多数还基于电解液***，所述电解液具有较高的比热容。因此，为了实现热电式电池中的温度变化，需要很多的热量。此外，还必须在每个半相中对热电式电池布置***进行冷却，以便在下面的加热阶段中能够重新获得电荷。这明显降低了整个过程的效率。为了能够将这种热电式电池用于获得电能，必须高效地实施温度变化。传统的加热或冷却***、如例如加热螺旋管或压缩冷凝设备设计成用于稳定的运行并且此外本身还需要恒定地供应电能。为了加热热电式电池原理上也可以使用例如来自低温设备的废热，但缺少用于有效冷却电池的适当的冷源。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种方法和一种装置，利用所述方法和所述装置能够高效地运行热电式电池布置***。
所述目的通过如下的运行热电式电池布置***的方法来实现，即，用于通过周期性改变热电式电池布置***的温度来循环式运行所述热电式电池布置***的方法，其中，热电式电池布置***与循环运行的吸收式热泵热耦合，并且循环地执行以下方法步骤：
在冷却阶段期间将热电式电池布置***与所述吸收式热泵的冷侧热耦合，其中，在温度降低期间，在热电式电池内部发生电荷分离，
在加热阶段期间将热电式电池布置***与所述吸收式热泵的热侧热耦合，其中，温度升高在热电式电池内部导致以相反的端子极性的再次的电荷分离。
所述目的在装置方面利用如下的收获装置来实现，用于通过热电式电池布置***获得电能的装置，其中，所述热电式电池布置***具有与吸收式热泵的热耦合，通过所述热耦合能够在热电式电池布置***中实现按吸收式热泵的工作循环的节拍进行的温度变化。
根据本发明，用于循环运行热电式电池布置***的方法通过周期性地改变热电式电池布置***的温度来实施，其中，热电式电池布置***与循环运行的吸收式热泵热耦合。这里循环地执行以下方法步骤：
首先在冷却阶段期间使热电式电池布置***与吸收式热泵的冷侧实现热耦合。在第二方法步骤中，在加热阶段期间使热电式电池布置***与吸收式热泵的热侧实现热耦合。然后所述方法返回到第一方法步骤。
因此，根据本发明，所述方法基于这样的构思，采用吸收式热泵用于加热和冷却热电式电池布置***，并且通过吸收式热泵循环地加热和冷却热电式电池，以便在电池中实现必要的温度变化并由此能够从电池中获取交变电压形式的近似连续的电能。
就是说，根据本发明，使热电式电池布置***跟随吸收式热泵的工作节拍。通过利用吸收式热泵来实现温度交变，在热电式电池中以较短的时间达到了这种温度交变。此外，这种吸收式热泵不需要附加地供应电能。吸收式热泵与热电式电池布置***的组合的特殊的优点特别是这样得到，即，这两个部件都循环地运行。要供应给电池布置***并且要提取的热能通过吸收式热泵泵送或泵吸，这里通过热泵效应也能由现有的低温热量中最佳地产生电池交变的温度水平。
在所述方法的一个实施形式中，吸收式热泵通过切换单元循环地耦合到外部的蓄热器或外部的蓄冷器上。与此相结合，吸收式热泵与切换单元的切换状态相关地包含用作循环的热侧或冷侧的加热及冷却元件。所述加热及冷却元件通过热耦合在所述热电式电池布置***中产生温度变化。
通过这种方法设计方案，特别是在热电式电池布置***和吸收式热泵的热接触方面明显简化了方法过程。所述电池布置***这里通过相同的方法部件循环地加热和冷却。
在第一实施形式中，热电式电池布置***和吸收式热泵的热耦合通过循环地用作加热回路或冷却回路的载热介质回路来实现。
载热介质循环在一个设计方案中以热导管、特别是热管布置***的形式运行。这里载热介质的蒸发和冷凝在闭合的管中进行，所述管因此作为蒸发热吸收热量或作为冷凝热释放热量，并由此实现热传输。
在另一个实施形式中，吸收式热泵与热电式电池布置***之间的热耦合通过直接的固体传导的热接触实现。
在装置方面，设定一种用于通过热电式电池布置***获得电能的收获装置，其中，所述热电式电池布置***具有与吸收式热泵的热耦合，通过所述热耦合能够在热电式电池布置***中实现按吸收式热泵的工作循环的节拍进行的温度变化。
在一个实施形式中，所述吸收式热泵具有能通过切换装置循环地接通到外部的蓄热器或外部的蓄冷器上的吸收器和能循环式地作为蒸发器和冷凝器运行的加热及冷却元件，所述加热及冷却元件与所述热电式电池布置***热耦合。
热电式电池布置***与加热及冷却元件之间的热耦合构造成将热电式电池布置***直接与所述加热及冷却元件连接的能导热的固定结构。在这种构型中，电池布置***可以在结构上以很高的程度集成到加热及冷却元件中。
在另一个实施形式中，热电式电池布置***与加热及冷却元件之间的热耦合通过载热介质回路构成。所述载热介质回路特别是可以构造成热导管的形式、特别是热管布置***的形式。
在一个实施形式中，外部的蓄热器是废热源或热收集器。
吸收式热泵与热电式电池布置***的质量相关的冷却容量为40至120kJ/kg，优选为60至100kJ/kg。这里，可以假定，一个吸收式热泵分别与两个热电式电池布置***配合作用。
附图说明
下面参考实施例来详细说明根据本发明的方法和根据本发明的装置。图1至6用于进行说明。这里，对于相同或作用相同的部件采用相同的附图标记。其中：
图1示出在加热阶段期间吸收式热泵与热电式电池之间基本的方法过程，
图2示出在冷却阶段期间吸收式热泵与热电式电池之间基本的方法过程，
图3示出示例性的线路图，
图4示出由吸收式热泵和热电式电池布置***成的集成***的示意图，
图5示出集成式的收获装置的另一个实施形式的示意图，
图6借助于表格式的图形示意性示出利用一个吸收式热泵对两个热电式电池进行调温的一个示例。
具体实施方式
图1和图2示出在根据本发明的工作循环的加热和冷却阶段期间示例性的方法过程。热电式电池布置***1和吸收式热泵2之间执行所述方法。所述吸收式热泵在这里所示的情况下通过供应废热Q0来驱动。所述吸收式热泵式在低温范围内工作的吸收式热泵。在第一半循环中，吸收式热泵吸收废热Q0。所吸收的热量一部分在吸收式热泵2的热侧WS上释放并在这里用于将热电式电池布置***1加热到确定的温度T1。在紧接着的第二半循环中，吸收式热泵将废热向回冷装置输送并且此时通过其冷侧KS由热电式电池布置***吸收附加的热量Qkühl。所述附加的热量连同废热Q0一起作为导出热量Qab向蓄冷器导出。此时，热电式电池布置***的温度从初始温度T1降低到现在较低的温度T2。在这种温度降低期间，在热电式电池内部发生电荷分离，从而可以在其电端子3上获取电压。
在第二半循环之后紧接着再次进行第一半循环，其方式是，通过吸收式热泵2重新从废热源吸收废热Q0。现在使所述热电式电池布置***重新与吸收式热泵2的热侧WS发生热接触。因此，现在电池布置***内部的温度从温度T2重新升高到较高的T1。这种温度升高现在在热电式电池的内部导致再次的电荷分离，从而现在在其电端子3上能够重新获得电压，但这一次是以相反的端子极性获得电压。由此，现在第一半循环也在热电式电池上提供电能。所述的过程现在以第二半循环继续进行，并且以任意的频率进行。因此热电式电池布置***1以各半循环的交替输出交变电压(交流电压)。
在图3中示出用于执行所述方法的布置***的示例性框图。所述框图包括热电式电池布置***1连同其电端子3以及吸收式热泵2。所述吸收式热泵通过切换装置4与蓄热器5和蓄冷器6耦合，所述切换装置包括受控制的第一切换阀4a和第二切换阀4b。这里特别是考虑采用废热源作为蓄热器，所述蓄冷器例如形成与环境空气的热交换器。通过接通的、在图中用相应的线条示出的载热介质回路实现吸收式热泵2与蓄热器和蓄冷器之间的热传输。
通过第一切换阀4a和第二切换阀4b和在载热介质回路中循环流动的载热介质，蓄热器5和蓄冷器6交替地与吸收式热泵内部的吸收器7发生热接触。这种热接触分别根据所存在的温度导致对包含在吸收式热泵中的工作介质的放热或吸热。工作介质在放热和吸热过程中在等同地起冷凝器作用或蒸发器作用的加热及冷却元件8上冷凝或由该元件从冷凝状态转换回到气相。在冷凝时释放的热量或在蒸发工作介质时吸收的热量通过热耦合9供应给热电式电池布置***1或从热电式电池布置***中取得。由此在所述热电式电池布置***的内部实现了上面所述的温度变化，这种温度变化最终导致在所述电端子3上出现所述循环的交变电压。
因此，在这里设定的构型中，加热及冷却元件8根据方法过程相应的半相既构成吸收式热泵2的热侧也构成吸收式热泵的冷侧。吸收式热泵与热电式电池布置***的热耦合因此可以设计得非常简单。在当前的实施例中，吸收式热泵与热电式电池布置***之间的闭合的载热介质回路就用作热耦合。供应给热电式电池布置***的热量或由热电式电池布置***取得的热量通过集成在电池布置***中的热交换器10与热电式电池布置***的各部件发生交换。也可以利用载热介质环绕流过热电式电池布置***的各电部件，这里各电部件是封装的并且位于载热介质浴中。这里在任何情况下都重要的是，在热电式电池布置***的内部在相应电池单元与流体的载热介质之间存在特别强烈的热接触。
在吸收式热泵的加热及冷却元件与热电式电池布置***之间的热接触方面有利的是，它们在结构上尽可能紧密地结合在一起，在这种结合中可以实现两个部件的高度集成，此时热传导路径尽可能短，并且热量损失尽可能少。为此，在图4中示出一个示意性示例。
该图中示出集成的收获机11，所述收获机具有外部的热接头12，用于与外部的蓄热器和蓄冷器热接触，并具有电端子3，用于提取由所述收获机产生的电能。收获机包括集成的吸收器热泵13和集成的热电式电池布置***14。在所述集成的部件之间设有导热装置15，所述导热装置确保了紧密的热接触。导热装置15特别是包括所述吸收式热泵的加热及冷却元件，所述加热及冷却元件这里在热上直接连接在所述集成的热电式电池布置***上。
整个所述集成的布置***是封装的并且向外设有热绝缘结构16，以便保持整个布置***的热损失尽可能低。这里特别有利的是这样一种布置***，其中吸收式热泵位于集成的收获机的中央，而集成的热电式电池布置***围绕吸收式热泵成组布置并包围所述吸收式热泵。由此，集成的电池布置***从内部受到加热或冷却。相应的实施形式在图5中示出。该图示示出了集成的收获布置***，包括集成的吸收式热泵13，所述吸收式热泵带有外部的热接头12。这里所述吸收式热泵由包括九个单电池12的热电式电池布置***包围，这些单电池通过电触点接通部18串联连接并由此形成一个电池组。各单电池埋入导热介质19中。所述导热介质这里可以是具有良好导热特性的固体，例如铝构件或铜构件，或者也可以是流体，特别是液体。这种布置***同样利用外部的热绝缘结构16包围。
根据本发明的方法并且尤其是在图3和图4或图5中示出的装置的一个很大的优点在于，这种吸收式热泵不需要附加的电能供应。热泵送的过程仅通过工作介质在吸收器上的以热方式实现的释放和吸收以及在热泵的组合式冷凝器及蒸发器上的与此关联的冷凝和蒸发来进行。这种热泵送过程通过外部供应的废热来驱动，因此吸收所述废热并将其转换成电能。这种转换过程因此不需要附加的电能。只是对于具有第一切换阀4a和第二切换阀4b的切换单元4需要较小的切换电流，所述切换电流可以毫无问题地由存在于热电式电池布置***上的电压驱动。
作为吸收式热泵和热电式电池布置***之间设备方面的协调的规则，适宜的是，通过吸收式热泵进行冷却或加热的容量与必须利用吸收式热泵冷却或加热的热电式电池布置***的热质量相关联。
原则上，一个吸收式热泵可以对两个热电式电池进行调温，因为所述吸收式热泵可以恰好在这两个热电式电池等温放电时被激活。当在吸收式热泵中进行放热时就是这种情况。在电池的调温阶段，就是说，当在吸收式热泵中进行吸热过程时，总是必须只有两个热电式电池中的一个被冷却，而第二个电池由热源直接加热。这里，在冷却其中一个电池以及在加热另一个电池时都会出现电荷转移。两个电池在一定程度上以反向节拍(推挽的方式)运行。
对此的一个示例在图6中借助于表格式的图形示意性示出。表格的列分别表示在第一热电式电池Z1、位于其间的吸收式热泵SWP和在第二热电式电池Z2中存在的运行状态。表格式图形的行以各个运行步骤S1至S4示出包括第一和第二热电式电池以及吸收式热泵的整个***的运行过程。
在运行步骤S1中，在吸收式热泵SWP中进行放热D。两个热电式电池Z1和Z2此时处于等温状态，在这个状态下，两个热电式电池执行放电过程E，例如在这里未示出电负载上执行放电过程。热电式电池Z1这里具有例如为60℃的温度，而热电式电池Z2具有20℃的温度。
在运行步骤S2中，吸收式热泵SWP执行吸热过程A。此时，一方面对热电式电池Z1进行冷却K，而在热电式电池Z2中出现升温W。一个电池的冷却以及另一个电池的升温都会在所述电池中分别导致极性转换和充电，从而在运行步骤S2结束后从两个电池都可以获取电能。
在运行状态S3中，两个电池Z1和Z2重新处于等温状态。电池Z1通过前面的冷却现在具有例如为20℃的较低温度，而电池Z2则被加热到例如为60℃的较高温度。在这个状态下，两个电池中又可以进行放电过程E，并且由此进行电能的提取。吸收式热泵在这个步骤中重新经过一个放热阶段D。
在运行步骤S4中，吸收式热泵重新经过一个吸热阶段。热电式电池Z1此时被加热，而热电式电池Z2被冷却，从而此后又可以接着进行运行步骤S1。
在这种不同的热电式电池处于反向节拍中的运行条件下，吸收式热泵的冷却容量只需要是两个热电式电池的热容量的大致一半。如果对于水假定有高于热电式电池的电解液的热容量，则对于没有壳体的电池的总质量为了从60℃调温到20℃需要每kg大致85kJ的冷却容量。
前面借助于实施例说明了根据本发明的方法和用于执行所述方法的装置。在本领域技术人员的能力范围内也可以采用其他的实施形式。
附图标记列表
1 热电式电池布置***
2 吸收式热泵
3 电端子
4 切换装置
4a 第一切换阀
4b 第二切换阀
5 蓄热器
6 蓄冷器
7 吸收器
8 加热及冷却元件
9 热耦合
10 热交换器
11 集成的收获机
12 热接头
13 集成的吸收式热泵
14 集成的热电式电池布置***
15 导热装置
16 热绝缘结构
17 热电式单电池
18 电触点接通部
19 导热介质
A 吸热
D 放热
E 放电
K 冷却
W 升温
S1 第一运行步骤
S2 第二运行步骤
S3 第三运行步骤
S4 第四运行步骤
SWP 吸收式热泵

Claims (14)

1.用于通过周期性改变热电式电池布置***的温度来循环式运行所述热电式电池布置***(1)的方法，其中，热电式电池布置***与循环运行的吸收式热泵(2)热耦合，并且循环地执行以下方法步骤：
在冷却阶段期间将热电式电池布置***(1)与所述吸收式热泵(2)的冷侧(KS)热耦合，其中，在温度降低期间，在热电式电池内部发生电荷分离，
在加热阶段期间将热电式电池布置***(1)与所述吸收式热泵(2)的热侧(WS)热耦合，其中，温度升高在热电式电池内部导致以相反的端子极性的再次的电荷分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸收式热泵(2)通过切换单元(4)循环地耦合到外部的蓄热器(5)或外部的蓄冷器(6)上，所述吸收式热泵根据切换单元的切换状态包括作为循环的热侧或冷侧起作用的加热及制冷元件(8)，所述加热及制冷元件通过热耦合在热电式电池布置***(1)中产生温度变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，吸收式热泵(2)与热电式电池布置***(1)之间的热耦合通过循环地用作加热或冷却回路的载热介质回路实现。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，吸收式热泵与热电式电池布置***之间的热耦合通过热导管装置实现。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述热导管装置以热管布置***形式构成。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，热电式电池布置***(1)与吸收式热泵(2)之间的热耦合通过直接的固体传导的热接触实现。
7.用于通过热电式电池布置***(1)获得电能的装置，其中，所述热电式电池布置***(1)具有与吸收式热泵(2)的热耦合，通过所述热耦合能够在热电式电池布置***中实现按吸收式热泵的工作循环的节拍进行的温度变化。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述吸收式热泵(2)具有能通过切换装置(4)循环地接通到外部的蓄热器(5)或外部的蓄冷器(6)上的吸收器和能循环式地作为蒸发器和冷凝器运行的加热及冷却元件(8)，所述加热及冷却元件与所述热电式电池布置***热耦合。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，热电式电池布置***(1)与加热及冷却元件(8)之间的热耦合构造成将热电式电池布置***直接与所述加热及冷却元件连接的能导热的固定结构。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，热电式电池布置***(1)与加热及冷却元件(8)之间的热耦合通过载热介质回路和/或热导管构成。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述热导管是热管布置***。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，外部的蓄热器(5)是废热源或热收集器。
13.根据权利要求8至12之一所述的装置，其特征在于，吸收式热泵的与热电式电池布置***的质量相关的冷却容量为40至120kJ/kg。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，吸收式热泵与热电式电池布置***的质量相关的冷却容量为60至100kJ/kg。
CN201580067027.5A 2014-12-11 2015-11-23 用于循环运行热电式电池布置***的方法和装置 Active CN107110571B (zh)

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