DE102015004524A1 - Verfahren und Vorrichtung zum zyklischen Betreiben einer thermoelektrischen Zellenanordnung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum zyklischen Betreiben einer thermoelektrischen Zellenanordnung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zyklischen Betreiben einer thermoelektrischen Zellenanordnung durch ein periodisches Ändern der Temperatur der thermoelektrischen Zellenanordnung, wobei die thermoelektrische Zellenanordnung mit einer zyklisch betriebenen Sorptionswärmepumpe thermisch gekoppelt ist. Es werden folgende Verfahrensschritte zyklisch ausgeführt: eine thermische Kopplung der thermoelektrischen Zellenanordnung während einer Kühlphase mit einer Kaltseite der Sorptionswärmepumpe, eine thermische Kopplung der thermoelektrischen Zellenanordnung während einer Heizphase mit einer Warmseite der Sorptionswärmepumpe. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Harvestervorrichtung zum Gewinnen elektrischer Energie mittels einer thermoelektrischen Zellenanordnung, wobei die thermoelektrische Zellenanordnung eine thermische Kopplung mit einer Sorptionswärmepumpe aufweist, wobei über die thermische Kopplung eine im Takt des Arbeitszyklus der Sorptionswärmepumpe erfolgende Temperaturänderung in der thermoelektrischen Zellenanordnung bewirkbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zyklischen Betreiben einer thermoelektrischen Zellenanordnung nach Anspruch 1 und eine hierfür vorgesehene Vorrichtung nach Anspruch 5.
  • Thermoelektrische Zellenanordnungen sind bekannt. Diese Vorrichtungen dienen zur Umsetzung von Wärme in elektrische Energie. Anders als beispielsweise beim Seebeck-Effekt, bei dem durch einen konstanten Temperaturgradienten in einem thermoelektrischen Material eine Spannung entsteht, erfolgt die Spannungserzeugung in einer thermoelektrischen Zelle durch die zeitliche Änderung der Temperatur der Zelle. Mehrere derartige Zellen können zu einer Batterieanordnung zusammengeschaltet sein. In einer derartigen Batterieanordnung wird durch einen Temperaturwechsel eine Spannung erzeugt. Thermoelektrische Zellen zeichnen sich somit durch eine zyklische Arbeitsweise aus.
  • Die Leistung derartiger zyklischer Prozesse ist durch den Wärmetransport limitiert, der beim Wechseln der Temperatur an der thermoelektrischen Zelle notwendig ist. Derartige Zellen basieren außerdem zumeist auf Elektrolytsystemen mit einer relativ hohen spezifischen Wärmekapazität. Es wird somit ein nicht unbeträchtlicher Wärmebetrag benötigt, um den Temperaturwechsel in der thermoelektrischen Zelle auszuführen. Weiterhin muss notwendigerweise die thermoelektrische Zellenanordnung in jeder Halbphase gekühlt werden, damit in einer nachfolgenden Heizphase wieder Ladung entnommen werden kann. Dies verringert die Effizienz des Gesamtprozesses erheblich. Damit solche thermoelektrischen Zellen zur Gewinnung von Elektroenergie eingesetzt werden können, muss die Temperaturänderung effektiv ausgeführt werden. Klassische Heiz- oder Kühlsysteme, wie z. B. Heizwendeln oder Kompressionskältegeräte sind für einen konstanten Betrieb ausgelegt und benötigen außerdem selbst eine konstante Zufuhr von Elektroenergie. Zum Heizen thermoelektrischer Zellen kann prinzipiell auch Abwärme, beispielsweise aus Niedertemperaturanlagen, verwendet werden, allerdings fehlt es an einer geeigneten Temperatursenke zur effektiven Kühlung der Zelle.
  • Es besteht somit die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen sich eine thermoelektrische Zellenanordnung effizient betreiben lässt.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren einer thermoelektrischen Zellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Vorrichtungsaspektes mit einer Harvestervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
  • Erfindungsgemäß wird das Verfahren zum zyklischen Betreiben einer thermoelektrischen Zellenanordnung durch ein periodisches Ändern einer Temperatur der thermoelektrischen Zellenanordnung ausgeführt, wobei die thermoelektrische Zellenanordnung mit einer zyklisch betriebenen Sorptionswärmepumpe thermisch gekoppelt ist. Dabei werden folgende Verfahrensschritte zyklisch ausgeführt:
    Es erfolgt erstens eine thermische Kopplung der thermoelektrischen Zellenanordnung während einer Kühlphase mit einer Kaltseite der Sorptionswärmepumpe. In einem zweiten Verfahrensabschnitt erfolgt eine thermische Kopplung der thermoelektrischen Zellenanordnung während einer Heizphase mit einer Warmseite der Sorptionswärmepumpe. Das Verfahren kehrt dann zum ersten Verfahrensschritt zurück.
  • Erfindungsgemäß baut das Verfahren somit auf dem Gedanken auf, eine Sorptionswärmepumpe zum Heizen und Kühlen der thermoelektrischen Zellenanordnung zu verwenden und die thermoelektrische Zelle zyklisch mittels der Sorptionswärmepumpe zu heizen und zu kühlen, um so die notwendige Temperaturänderung in der Zelle zu bewirken und somit quasi kontinuierlich elektrische Energie in Form einer Wechselspannung aus der Zelle entnehmen zu können.
  • Die thermoelektrische Zellenanordnung wird also erfindungsgemäß dem Arbeitstakt einer Sorptionswärmepumpe unterworfen. Durch die Realisierung der Temperaturwechsel mittels der Sorptionswärmepumpe gelingen die Temperaturwechsel in der thermoelektrischen Zelle in einer vergleichsweise kurzen Zeit. Außerdem benötigt die Sorptionswärmepumpe als solche keine zusätzliche Zufuhr von Elektroenergie. Der besondere Vorteil der Kombination aus Sorptionswärmepumpe und thermoelektrischer Zellenanordnung ergibt sich insbesondere auch daraus, dass beide Komponenten zyklisch betrieben werden. Die der Zellenanordnung zuzuführende und zu entnehmende Wärmeenergie wird durch die Sorptionswärmepumpe zu oder abgepumpt, wobei durch den Wärmepumpeneffekt die wechselnden Temperaturniveaus der Zelle optimal auch aus vorhandener Niedertemperaturwärme erzeugt werden können.
  • Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Sorptionswärmepumpe über eine Umschalteinheit zyklisch an ein externes Wärmereservoir oder ein externes Kühlreservoir gekoppelt. In Verbindung damit enthält die Sorptionswärmepumpe eine in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Umschalteinheit ein als zyklische Warm- oder Kaltseite wirkendes Heiz- und Kühlelement. Das Heiz- und Kühlelement erzeugt über eine thermische Kopplung die Temperaturänderung in der thermoelektrischen Zellenanordnung.
  • Durch eine derartige Verfahrensgestaltung vereinfacht sich der Verfahrensablauf insbesondere in Hinblick auf die thermische Kontaktierung der thermoelektrischen Zellenanordnung und der Sorptionswärmepumpe erheblich. Der Zellenanordnung wird hier durch ein und dieselbe Verfahrenskomponente zyklisch beheizt oder gekühlt.
  • Die thermische Kopplung zwischen der thermoelektrischen Zellenanordnung und der Sorptionswärmepumpe erfolgt bei einer ersten Ausführungsform über einen zyklisch als Heiz- oder Kühlkreislauf wirkenden Wärmeträgerkreislauf.
  • Der Wärmeträgerkreislauf wird in einer Ausgestaltung in Form eines Wärmerohrs, insbesondere einer Heat Pipe-Anordnung, betrieben. Hierbei erfolgt ein Verdampfen und Kondensieren eines Wärmeträgermediums in einem geschlossenem Rohr, das somit Wärme als Verdampfungswärme aufnimmt bzw. als Kondensationswärme abgibt und so den Wärmetransport bewerkstelligt.
  • Bei einer anderen Ausführungsform wird die thermische Kopplung zwischen der thermoelektrischen Zellenanordnung und der Sorptionswärmepumpe durch einen unmittelbaren festkörperleitenden Wärmekontakt ausgeführt.
  • Vorrichtungsseitig ist eine Harvestervorrichtung zum Gewinnen elektrischer Energie mittels einer thermoelektrischen Zellenanordnung vorgesehen, bei der die thermoelektrische Zellenanordnung eine thermische Kopplung mit einer Sorptionswärmepumpe aufweist, wobei über die thermische Kopplung eine im Takt des Arbeitszyklus der Sorptionswärmepumpe erfolgende Temperaturänderung in der thermoelektrischen Zellenanordnung bewirkbar ist.
  • Bei einer Ausführungsform weist die Sorptionswärmepumpe einen über eine Umschaltvorrichtung zyklisch an eine externe Wärmequelle oder eine externe Wärmesenke schaltbaren Adsorber und ein zyklisch als Verdampfer und Kondensator betreibbares Heiz- und Kühlelement auf, wobei das Heiz- und Kühlelement mit der thermoelektrischen Zellenanordnung thermisch gekoppelt ist.
  • Die thermische Kopplung zwischen der thermoelektrischen Zellenanordnung und dem Heiz- und Kühlelement ist bei einer Ausführungsform als eine die thermoelektrische Zellenanordnung unmittelbar mit dem Heiz- und Kühlelement verbindende thermisch leitfähige Befestigung ausgebildet. In einer derartigen Konfiguration kann die Zellenanordnung baulich in einem hohen Maße in das Heiz- und Kühlelement integriert werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist die thermische Kopplung zwischen der thermoelektrischen Zellenanordnung und dem Heiz- und Kühlelement über einen Wärmeträgerkreislauf ausgebildet. Dieser kann insbesondere in Form eines Wärmerohrs, insbesondere in Form einer Heat Pipe-Anordnung, ausgebildet sein.
  • Das externe Wärmereservoir ist bei einer Ausführungsform eine Abwärmequelle oder ein thermischer Kollektor.
  • Die auf die Masse einer thermoelektrischen Zellenanordnung bezogene Kühlkapazität der Sorptionswärmepumpe beträgt insbesondere 40–120 kJ/kg, vorzugsweise 60–100 kJ/kg. Dabei kann angenommen werden, dass eine Sorptionswärmepumpe jeweils mit zwei thermoelektrischen Zellenanordnungen zusammenwirkt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 5. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet. Es zeigt:
  • 1 einen grundlegenden Verfahrensablauf zwischen Sorptionswärmepumpe und thermoelektrischer Zelle während einer Heizphase,
  • 2 einen grundlegenden Verfahrensablauf zwischen Sorptionswärmepumpe und thermoelektrischer Zelle während einer Kühlphase,
  • 3 ein beispielhaftes Schaltbild,
  • 4 eine schematische Darstellung einer integrierten Anordnung aus Sorptionswärmepumpe und thermoelektrischer Zelle,
  • 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer integrierten Harvestervorrichtung.
  • Die 1 und 2 zeigen beispielhafte Verfahrensabläufe während einer Heiz- und einer Kühlphase des erfindungsgemäßen Arbeitszyklus. Das Verfahren wird zwischen einer thermoelektrischen Zellenanordnung 1 und einer Sorptionswärmepumpe 2 ausgeführt. Die Sorptionswärmepumpe wird in dem hier vorliegenden Fall durch Zufuhr von Abwärme Q0 angetrieben. Es handelt sich hierbei um eine im Niedertemperaturbereich arbeitende Sorptionswärmepumpe. In einem ersten Halbzyklus nimmt die Sorptionswärmepumpe die Abwärme Q0 auf. Diese aufgenommene Wärme wird zum Teil an einer Warmseite WS der Sorptionswärmepumpe 2 abgegeben und dient dabei zum Aufheizen der thermoelektrischen Zellenanordnung 1 auf eine bestimmte Temperatur T1. In einem sich daran anschließenden zweiten Halbzyklus befördert die Wärmepumpe die Abwärme an eine Rückkühleinrichtung und nimmt dabei über deren Kühlseite KS aus der thermoelektrischen Zellenanordnung eine zusätzliche Wärmemenge QKühl auf. Diese wird zusammen mit der Abwärme Q0 als Ableitwärme Qab an ein Kühlreservoir abgeführt. Dabei wird die Temperatur der thermoelektrischen Zellenanordnung von der Anfangstemperatur T1 auf die nun niedrigere Temperatur T3 abgesenkt. Bei dieser Temperaturerniedrigung findet eine Ladungstrennung innerhalb der thermoelektrischen Zelle statt, sodass an deren Anschlüssen 3 eine Spannung abgegriffen werden kann.
  • An diesen zweiten Halbzyklus schließt sich wieder der erste Halbzyklus an, indem durch die Sorptionswärmepumpe 2 von der Abwärmequelle wieder Abwärme Q0 aufgenommen wird. Die thermoelektrische Zellenanordnung wird nun wieder mit der Warmseite WS der Sorptionswärmepumpe 2 in einen thermischen Kontakt gebracht. Infolgedessen steigt nun die Temperatur innerhalb der Zellenanordnung von der Temperatur T2 wieder auf die höhere Temperatur T1 an. Diese Temperaturerhöhung führt nun zu einer erneuten Ladungstrennung innerhalb der thermoelektrischen Zelle, sodass nun an deren Anschlüssen 3 erneut eine Spannung, diesmal aber mit einer entgegengesetzten Anschlusspolarität abgegriffen werden kann. Dadurch liefert nun auch der erste Halbzyklus elektrische Energie an der thermoelektrischen Zelle. Der beschriebene Ablauf wird nun mit dem zweiten Halbzyklus beliebig oft fortgesetzt. Die thermoelektrische Zellenanordnung gibt somit im Wechsel der Halbzyklen eine Wechselspannung ab.
  • Ein beispielhaftes Schaltbild einer Anordnung zum Ausführen des Verfahrens ist in 3 dargestellt. Das Schaltbild enthält die thermoelektrische Zellenanordnung 1 mit deren elektrischen Anschlüssen 3 sowie die Sorptionswärmepumpe 2. Diese ist über eine Umschalteinrichtung 4, bestehend aus den gesteuerten Ventilen 4a und 4b mit einem Wärmereservoir 5 und einem Kühlreservoir 6 gekoppelt. Als Wärmereservoir kommt hier insbesondere eine Abwärmequelle in Betracht, das Kühlreservoir bildet beispielsweise ein Wärmeübertrager mit der Umgebungsluft. Der Wärmetransport zwischen der Sorptionswärmepumpe 2 und den Reservoirs geschieht durch geschaltete Wärmeträgerkreisläufe, die in der Darstellung durch entsprechende Linien angedeutet sind.
  • Über die Ventile 4a und 4b und den in den Wärmeträgerkreisläufen umlaufenden Wärmeträger werden die Reservoirs 5 und 6 wechselseitig mit einem Adsorber 7 innerhalb der Sorptionswärmepumpe in thermischen Kontakt gebracht. Dieser bewirkt je nach der anliegenden Temperatur eine Desorption bzw. eine Adsorption eines innerhalb der Sorptionswärmepumpe enthaltenen Arbeitsmediums. Das Arbeitsmedium wird im Zuge der Desorptions- und Adsorptionsvorgänge an einem gleichermaßen als Kondensator bzw. Verdampfer wirkenden Heiz- und Kühlelement 8 kondensiert, bzw. von diesem Element vom kondensierten Zustand zurück in die Gasphase überführt. Die bei der Kondensation abgegebene Wärme bzw. die bei der Verdampfung des Arbeitsmediums aufgenommene Wärme wird über eine thermische Kopplung 9 der thermoelektrischen Zellenanordnung 1 zugeführt bzw. entzogen. Hierdurch wird die oben beschriebene Temperaturänderung innerhalb der thermoelektrischen Zellenanordnung bewirkt, die schließlich zu der beschriebenen zyklischen elektrischen Wechselspannung an den Anschlüssen 3 führt.
  • Bei der hier vorliegenden Konfiguration bildet somit das Heiz- und Kühlelement 8 je nach der entsprechenden Halbphase des Verfahrensablaufs sowohl die Warm- als auch die Kaltseite der Sorptionswärmepumpe 2 aus. Die thermische Kopplung zwischen der Sorptionswärmepumpe und der thermoelektrischen Zellenanordnung gestaltet sich daher sehr einfach. Im hier vorliegenden Beispiel dient zur thermischen Kopplung ein geschlossener Wärmeträgerkreislauf zwischen der Sorptionswärmepumpe und der thermoelektrischen Zellenanordnung. Die der thermoelektrischen Zellenanordnung zuführte Wärme bzw. die von dieser entzogene Wärme wird mit den Komponenten der thermoelektrischen Zellenanordnung über einen dort integrierten Wärmeübertrager 10 ausgetauscht. Möglich ist auch ein Umspülen der elektrischen Komponenten der thermoelektrischen Zellenanordung mit dem Wärmeträger, wobei die elektrischen Komponenten verkapselt sind und sich in einem Wärmeträgerbad befinden. Wichtig ist dabei in jedem Fall ein besonders intensiver Wärmekontakt zwischen fluidem Wärmeträger und den entsprechenden Zelleneinheiten innerhalb der thermoelektrischen Zellenanordnung.
  • Vorteilhaft hinsichtlich der thermischen Kontaktierung zwischen dem Heiz- und Kühlelement der Sorptionswärmepumpe einerseits und der thermoelektrischen Zellenanordnung andererseits ist deren möglichst enge bauliche Zusammenfassung, bei der eine hohe Integration beider Komponenten mit möglichst kurzen Wärmeleitwegen und möglichst geringen Wärmeverlusten realisiert werden kann. Ein schematisches Beispiel ist hierfür in 4 gezeigt.
  • Die Figur zeigt einen integrierten Harvester 11 mit äußeren Wärmeanschlüssen 12 zur thermischen Kontaktierung mit externen Wärme- und Rückkühlreservoiren und elektrischen Anschlüssen 3 zur Entnahme der von dem Harvester erzeugten elektrischen Energie. Der Harvester enthält eine integrierte Sorptionswärmepumpe 13 und eine integrierte thermoelektrische Zellenanordnung 14. Zwischen den integrierten Komponenten befindet sich eine Wärmeleiteinrichtung 15, die einen innigen thermischen Kontakt gewährleistet. Die Wärmeleiteinrichtung 15 besteht insbesondere aus dem Heiz- und Kühlelement der Sorptionswärmepumpe, das hier thermisch unmittelbar an die integrierte thermoelektrische Zellenanordnung angeschlossen ist.
  • Diese gesamte integrierte Anordnung ist verkapselt und nach außen hin mit einer thermischen Isolierung 16 versehen, um die Wärmeverluste der gesamten Anordnung so gering wie möglich zu halten. Ganz besonders vorteilhaft ist dabei eine Anordnung, bei der sich die Sorptionswärmepumpe im Zentrum des integrierten Harvesters befindet, während die integrierte thermoelektrischen Zellenanordnung um die Sorptionswärmepumpe herum gruppiert ist und diese einschließt. Dadurch wird die integrierte Zellenanordnung von innen her beheizt bzw. gekühlt. Eine entsprechende Ausführungsform ist in 5 gezeigt. Die Darstellung zeigt eine integrierte Harvesteranordnung aus der integrierten Sorptionswärmepumpe 13 mit den äußeren Wärmeanschlüssen 12. Diese ist hier aus einer thermoelektrischen Zellenanordnung aus neun Einzelzellen 17 umgeben, die mittels elektrischer Kontaktierungen 18 in Reihe geschaltet sind und somit eine Batterieanordnung ergeben. Die Einzelzellen sind in ein Wärmeleitmedium 19 eingebettet. Das Wärmeleitmedium kann hierbei entweder ein Festkörper mit guten Wärmeleiteigenschaften, beispielsweise ein Aluminium- oder Kupferbauteil, oder auch ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, sein. Diese Anordnung ist ebenfalls mit einer äußeren thermischen Isolierung 16 umgeben.
  • Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und vor allem der in 3 und 4 bzw. 5 gezeigten Vorrichtungen besteht darin, dass die Sorptionswärmepumpe als solche keine Zufuhr zusätzlicher elektrischer Energie benötigt. Der Prozess des Wärmepumpens erfolgt ausschließlich durch das thermisch bewirkte Desorbieren und Adsorbieren des Arbeitsmediums am Adsorber und der damit korrelierten Kondensation und Verdampfung am kombinierten Kondensator und Verdampfer der Wärmepumpe. Getrieben wird dieser Wärmepumpvorgang durch die extern zugeführte Abwärme, die somit aufgefangen und in elektrische Energie überführt wird. Dieser Umwandlungsprozess benötigt somit keine zusätzliche elektrische Energie. Lediglich für die Umschalteinheit 4 mit den Ventilen 4a und 4b wird ein vergleichsweise geringer Schaltstrom benötigt, der problemlos von der an der thermoelektrischen Zellenanordnung anliegenden Spannung getrieben werden kann.
  • Als Maßstab für die gerätemäßige Abstimmung zwischen Sorptionswärmepumpe und thermoelektrischer Zellenanordnung bietet es sich an, die Kapazität für die Kühlung bzw. die Heizung durch die Sorptionswärmepumpe auf die thermische Masse der thermoelektrischen Zellenanordnung zu beziehen, die mit der Sorptionswärmepumpe gekühlt oder geheizt werden muss.
  • Grundsätzlich kann eine Sorptionswärmepumpe zwei thermoelektrische Zellen temperieren, da sie genau dann aktiviert werden kann, wenn die thermoelektrischen Zellen isotherm entladen. Das ist dann der Fall, wenn in der Sorptionswärmepumpe die Desorption stattfindet. In den Temperierungsphasen der Zellen, d. h. dann, wenn in der Sorptionswärmepumpe Adsorptionsprozesse stattfinden, muss immer nur eine der beiden thermoelektrischen Zellen gekühlt werden, während die zweite Zelle direkt von der Wärmequelle erwärmt wird. Sowohl bei der Kühlung der einen Zelle als auch bei der Erwärmung der anderen Zelle treten dabei Umladungen auf. Beide Zellen werden gewissermaßen im Gegentakt betrieben.
  • Ein Beispiel hierfür ist in 6 schematisch anhand einer tabellarischen Darstellung gezeigt. Die Spalten der Tabelle stellen jeweils die in einer ersten thermoelektrischen Zelle Z1, einer dazwischen angeordneten Sorptionswärmepumpe SWP und in einer zweiten thermoelektrischen Zelle Z2 anliegenden Betriebszustände dar. Die Zeilen der tabellarischen Darstellung zeigen die Betriebsabläufe des Gesamtsystems aus der ersten und der zweiten thermoelektrischen Zelle und der Sorptionswärmepumpe in einzelnen Betriebsschritten S1 bis S4.
  • Im Betriebsschritt S1 findet in der Sorptionswärmepumpe SWP eine Desorption D statt. Beide thermoelektrischen Zellen Z1 und Z2 befinden sich dabei in einem isothermen Zustand, in welchem beide einen Entladevorgang E, beispielsweise über eine hier nicht gezeigte elektrische Last ausführen. Die thermoelektrische Zelle Z1 weist dabei eine Temperatur von beispielsweise 60°C, die thermoelektrische Zelle Z2 eine Temperatur von 20°C auf.
  • Im Betriebsschritt S2 führt die Sorptionswärmepumpe SWP eine Adsorptionsphase A aus. Dabei findet zum Einen eine Kühlung K der thermoelektrischen Zelle Z1 statt, während in der thermoelektrischen Zelle Z2 eine Erwärmung W auftritt. Sowohl die Kühlung der einen Zelle wie auch die Erwärmung der anderen Zelle führt dort jeweils zu einer Umpolung und Aufladung, sodass nach Abschluss des Betriebsschrittes S2 von beiden Zellen elektrische Energie entnommen werden kann.
  • Im Betriebsschritt S3 befinden sich beide Zellen Z1 und Z2 wieder im isothermen Zustand. Die Zelle Z1 weist durch die vorhergegangene Kühlung nun eine niedrigere Temperatur von beispielsweise 20°C auf, während die Zelle Z2 auf eine höhere Temperatur von beispielsweise 60°C gebracht worden ist. In diesem Zustand kann wieder in beiden Zellen der Entladevorgang E und damit ein Entnehmen elektrischer Energie stattfinden. Die Sorptionswärmepumpe durchläuft in diesem Schritt wieder eine Desorptionsphase D.
  • Im Betriebssschritt S4 durchläuft die Sorptionswärmepumpe wieder eine Adsorptionsphase. Die thermoelektrische Zelle Z1 wird dabei geheizt und die thermoelektrische Zelle Z2 gekühlt, sodass sich hieran wieder der Betriebsschritt S1 anschließen kann.
  • Unter diesen Bedingungen eines Betriebs verschiedener thermoelektrischen Zellen im Gegentakt muss die Kühl-Kapazität der Sorptionswärmepumpe nur etwa Hälfte der Wärmekapazität der thermoelektrischen Zellen aufweisen. Nimmt man eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität für Wasser als den Elektrolyten der thermoelektrischen Zellen an, dann werden für die Gesamtmasse der Zellen ohne Gehäuse gerechnet für die Temperierung von 60°C auf 20°C rund 85 kJ Kühlkapazität pro kg benötigt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens wurden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    thermoelektrische Zellenanordnung
    2
    Sorptionswärmepumpe
    3
    Elektrische Anschlusse
    4
    Umschalteinrichtung
    4a
    erstes Umschaltventil
    4b
    zweites Umschaltventil
    5
    Wärmereservoir
    6
    Kühlreservoir
    7
    Adsorber
    8
    Heiz- und Kühlelement
    9
    Thermische Kopplung
    10
    Wärmeübertrager
    11
    Integrierter Harvester
    12
    Wärmeanschlüsse
    13
    Integrierter Sorptionswärmepumpe
    14
    Integrierte thermoelektrische Zellenanordnung
    15
    Wärmeleiteinrichtung
    16
    Thermische Isolierung
    17
    Thermoelektrische Einzelzelle
    18
    Elektrische Kontaktierung
    19
    Wärmeleitmedium
    A
    Adsorption
    D
    Desorption
    E
    Entladung
    K
    Kühlen
    W
    Erwärmen
    S1
    erster Betriebsschritt
    S2
    zweiter Betriebsschritt
    S3
    dritter Betriebsschritt
    S4
    vierter Betriebsschritt
    SWP
    Sorptionswärmepumpe

Claims (11)

  1. Verfahren zum zyklischen Betreiben einer thermoelektrischen Zellenanordnung (1) durch ein periodisches Ändern der Temperatur der thermoelektrischen Zellenanordnung, wobei die thermoelektrische Zellenanordnung mit einer zyklisch betriebenen Sorptionswärmepumpe (2) thermisch gekoppelt ist und folgende Verfahrensschritte zyklisch ausgeführt werden: – Thermische Kopplung der thermoelektrischen Zellenanordnung (1) während einer Kühlphase mit einer Kaltseite (KS) der Sorptionswärmepumpe (2), – Thermische Kopplung der thermoelektrischen Zellenanordnung (1) während einer Heizphase mit einer Warmseite (WS) der Sorptionswärmepumpe (2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionswärmepumpe (2) über eine Umschalteinheit (4) zyklisch an ein externes Wärmereservoir (5) oder ein externes Kühlreservoir (6) gekoppelt wird, wobei die Sorptionswärmepumpe in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Umschalteinheit ein als zyklische Warm- oder Kaltseite wirkendes Heiz- und Kühlelement (8) enthält, das über eine thermische Kopplung die Temperaturänderung in der thermoelektrischen Zellenanordnung (1) erzeugt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen der Sorptionswärmepumpe (2) und der thermoelektrischen Zellenanordnung (1) über einen zyklisch als Heiz- oder Kühlkreislauf wirkenden Wärmeträgerkreislauf erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen der Sorptionswärmepumpe und der thermoelektrischen Zellenanordnung über eine Wärmerohrvorrichtung, insbesondere in Form einer Heat Pipe-Anordnung, erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen der thermoelektrischen Zellenanordnung (1) und der Sorptionswärmepumpe (2) durch einen unmittelbaren festkörperleitenden Wärmekontakt ausgeführt wird.
  6. Harvestervorrichtung zum Gewinnen elektrischer Energie mittels einer thermoelektrischen Zellenanordnung (1), wobei die thermoelektrische Zellenanordnung (1) eine thermische Kopplung mit einer Sorptionswärmepumpe (2) aufweist, wobei über die thermische Kopplung eine im Takt des Arbeitszyklus der Sorptionswärmepumpe erfolgende Temperaturänderung in der thermoelektrischen Zellenanordnung bewirkbar ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionswärmepumpe (2) einen über eine Umschaltvorrichtung (4) zyklisch an ein externes Wärmereservoir (5) oder ein externes Kühlreservoir (6) schaltbaren Adsorber und ein zyklisch als Verdampfer und Kondensator betreibbares Heiz- und Kühlelement (8) aufweist, wobei das Heiz- und Kühlelement mit der thermoelektrischen Zellenanordnung thermisch gekoppelt ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen der thermoelektrischen Zellenanordnung (1) und dem Heiz- und Kühlelement (8) als eine die thermoelektrische Zellenanordnung unmittelbar mit dem Heiz- und Kühlelement verbindende thermisch leitfähige Befestigung ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen der thermoelektrischen Zellenanordnung (1) und dem Heiz- und Kühlelement (8) über einen Wärmeträgerkreislauf und/oder ein Wärmerohr, insbesondere eine Heat-Pipe-Anordnung, ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Wärmereservoir (5) eine Abwärmequelle oder ein thermischer Kollektor ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Masse einer thermoelektrischen Zellenanordnung bezogene Kühlkapazität der Sorptionswärmepumpe 40 bis 120 kJ/kg, vorzugsweise 60 bis 100 kJ/kg beträgt.
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