DE102008008652A1 - Thermal electrical accumulator for use in solar thermal plants for wash water heating and heating backup, comprises heat reservoir and cold reservoir, which are thermally separated, and arrangement of thermoelectric generators are provided - Google Patents
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Abstract
Description
Der thermoelektrische Akkumulator ist sowohl ein Verfahren wie auch eine Neuanwendung zur Nutzung von herkömmlicher solarthermischer Anlagen die zur Brauchwassererwärmung und oder Heizungsunterstützung von Gebäuden vorgesehen sind, um auch elektrische Energie zu gewinnen mit Hilfe thermoelektrischer Generatoren welche auf der Grundlage des thermoelektrischen Effektes Seebeck, elektrische Energie erzeugen können. Zur Veranschauung beinhaltet die Patentanmeldung zwei Vorrichtungen. Ein System welches im einfachsten Fall aus zwei Wärmespeicher und einer Anordnung thermoelektrischer Elemente besteht, wird gemäß Prinzipschaubild von einer herkömmlichen Solarkollektoranlage einer zur Wärmespeicherung vorgesehenen Masse (in der Zeichnung als Warmseite gekennzeichnet), Wärme zugeführt. Nachts sind bisherige Solarkollektoranlagen üblicherweise nicht aktiv bzw. es ist bekannt daß in einigen Fällen großdimensionierte solarthermische Systeme, zum Schutz vor sommerlicher Überhitzung, mit einer Kühlvorrichtung auf der Grundlage eines Aussenluftwärmetauschers versehen werden um bevorzugt nachts bei Bedarf des System zu Kühlen. Bei diesem Verfahren werden Tag/Nacht Temperaturunterschiede in der Aussenluft, verstärkt durch Wärme aus solaren Einstrahlungsgewinne zeitversetzt zur Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe thermoelektrischer Elemente verwendet sofern Kühlung nicht bereits durch Nutzwärmeentnahme z. B. zu Beheizungszwecke des Gebäudes ausreichend gewesen ist. Dabei wird ein Dauerbetrieb bzw. die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperaturdifferenz zur energetischen Speißung einer Anordnung thermoelektrischer Generatoren angestrebt. Dazu wird tagsüber bevorzugt von einer solarthermischen Anlage gewonnene Wärme gespeichert sowie nachts Kälte aus der Aussenluft die besonders in der zweiten Nachthälfte vorkommt gespeichert. Aus Kostengründen wird bei diesem Verfahren zur nächtlichen Kühlung bevorzugt der gleiche solarkollektor eingesetzt wie tagsüber sofern es sich um einen Typ handelt welches eine Eignung zum Wärmeaustausch mit der Aussenluft hat.Of the Thermoelectric accumulator is both a procedure as well a new application for the use of conventional solar thermal systems the for heating domestic water and or heating support of buildings are provided to also gain electrical energy using thermoelectric Generators based on the thermoelectric effect Seebeck, can generate electrical energy. To the impression contains the patent application two devices. A system which in the simplest case from two heat storage tanks and an array of thermoelectric elements is, according to the schematic diagram from a conventional one Solar collector system for heat storage provided mass (marked as warm side in the drawing), Heat supplied. At night Previous solar collector systems are usually not active or it is known that in some cases oversized solar thermal systems, to protect against summer overheating, with a cooling device on provided the basis of an outdoor air heat exchanger are preferred to cool at night when needed by the system. at This method will be day / night temperature differences in the Outside air, reinforced by heat from solar insolation gains offset in time to generate electrical Energy using thermoelectric elements is used unless cooling already by Nutzwärmeentnahme z. B. has been sufficient for heating purposes of the building. This is a continuous operation or the maintenance of a constant Temperature difference for the energetic feeding of an arrangement of thermoelectric Aimed at generators. This is preferred during the day by a solar thermal Plant gained heat stored as well as cold at night from the outside air which occurs especially in the second half of the night saved. For cost reasons is used in this procedure for nocturnal cooling preferably the same solar collector used as during the day provided it is a type which is suitable for heat exchange with the outside air has.
Die
Effektivität
des thermoelektischen Akkumulators oder wie man es auch nennen könnte der thermoelektrischen
Batterie, ergibt sich im Gegensatz zu Generatorsystemen nicht aus
Spitzenwerte der solaren Einstrahlung die nur einige Stunden am Tag
vorkommen, oder der nächtlichen
Kälte,
dessen Spitzenwerte nur einige Stunden dauern und üblicherweise
in der zweiten Nachthälfte
vorkommen sondern, aus einem Dauerbetrieb zu dem die Photovoltaik
nach heutigem Stand der Technik nicht fähig ist es sei denn Sie wird
z. B. nachts künstlich
mit Lichtenergie versorgt. Auch ist die Photovoltaik weit weniger
geeignet thermische Verluste aus der elektrischen Energiegewinnung,
z. B. zu Beheizungszwecke eines Gebäudes nutzbar zu machen. Der
Vergleich mit der Photovoltaik rechtfertigt sich sowohl deshalb
weil die Photovoltaik dazu vorgesehen ist solare Einstrahlung in
elektrische Energie zu wandeln wie auch weil beide Technologien
bzw. Generatoren ohne bewegte Teile funktionieren wenn man von Umwälzpumpen
absieht die nicht Bestandteil der thermoelektrischen Generatoren
sind aber in den meisten Fällen
den Wirkungsgrad des solarthermoelektrischen Systems erhöhen sofern
notwendige Wärme bzw.
Kälte über Fluidzirkulation
Die Bemessung photovoltaischer Systeme orientiert sich an Spitzenwerte solarer Einstrahlung aufgrund der technischen Unfähigkeit Lichtenergie ohne Umwandlung für eine spätere Nutzung zu speichern bzw. ohne große Verluste wieder umzuwandeln. Verluste (thermische Verluste sind nur schwer nutzbar) brauchbare Temperaturen z. B.. zu Beheizungszwecke eines Gebäudes vermindern den Wirkungsgrad. Im Gegensatz dazu erhöht sich der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren im Temperaturbereich welches es erlaubt aus den Verlusten der Generatoren in direkter Form (isobarisch) nutzbare Wärme zu entnehmen. Wärme aus solarthermischen Systemen ist leicht zu speichern. Entsprechende Vorrichtungen sind weit verbreitet. Im Sommer können thermoelektrische Generatoren hohe elektrische Wirkungsgrade erreichen während der Wirkungsgrad der Photovoltaik mit zunehmender Temperatur zurückgeht. Die Bemessung einer thermoelektrischen Batterie in Ihrer einfachsten Form orientiert sich an Tagesmittelwerte der solaren Einstrahlung sowie an Mittelwerte nächtlicher Aussenlufttemperatur. Im Gegensatz dazu orientiert sich die Bemessung photovoltaischer Anlagen notwendigerweise an Spitzenwerte solarer Einstrahlung bzw. an einen Generatorbetrieb welches darauf angewiesen ist die Spitzenwerte solarer Einstrahlung unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln.The Dimensioning of photovoltaic systems is based on peak values Solar radiation due to technical inability Light energy without conversion for a later one Use to save or without major losses to convert again. Losses (thermal losses are difficult to use) usable Temperatures z. B .. reduce for heating purposes of a building the efficiency. In contrast, the efficiency of thermoelectric increases Generators in the temperature range which allows from the losses of Generators in direct form (isobaric) to extract usable heat. Heat off Solar thermal systems is easy to store. Appropriate Devices are widely used. In summer, thermoelectric generators achieve high electrical efficiencies during the efficiency of Photovoltaic decreases with increasing temperature. The design of a thermoelectric battery oriented in its simplest form on average daily values of solar irradiation as well as mean values night Outside air temperature. In contrast, the design is oriented photovoltaic plants necessarily at peak solar Irradiation or to a generator operation which relies on it is the peak solar radiation directly into electrical To transform energy.
Je nach Dimensionierung sowohl der solarthermischen Anlage wie des thermoelektrischen Akkumulators selbst, können jahreszeitbedingte Temperaturveränderungen der Aussenluft ergänzt durch Jahreszeitbedingte solare Einstrahlungsgewinne zur elektrischen Energiegewinnung genutzt werden. In besonderer Weise Kostengünstig wenn z. B. ein herkömmlicher Flachkollektor abwechselnd als Absorber solarer Einstrahlung und als Wärmetauscher mit der nächtlichen oder winterlichen Aussenluft genutzt wird je nach Dimensionierung des Gesamtsystems sowie klimatischer Gegebenheiten.ever after dimensioning of both the solar thermal system as the thermoelectric accumulator itself, can seasonal temperature changes the outside air complements through seasonal solar irradiation gains to the electric Energy generation can be used. In a special way cost-effective if z. B. a conventional Flat collector alternately as an absorber of solar radiation and as a heat exchanger with the nightly or winter outside air is used depending on the dimensions of the overall system as well as climatic conditions.
In
seiner einfachsten Ausführung
entspricht ein thermoelektrischer Akkumulator der Beispielanwendung
mit zwei Wärmespeichern
Der thermoelektrische Akkumulator in seiner einfachsten Form, hat Schwächen die durch eine Erweiterung des Verfahrens gebessert oder behoben werden. Dazu gehört, daß je nach aktuellen Temperaturen der Warmseite und der Kaltseite, dazwichen liegende Temperaturen der Enthalpieströmmung aus dem Solarkollektor oder eines zusätzlichen Kühlaggregates nicht genutzt werden können da sie weder zur Erwärmung der Warmseite noch zur Kühlung der Kaltseite geeignet sind.Of the thermoelectric accumulator in its simplest form, has weaknesses the be improved or remedied by an extension of the procedure. This includes that ever according to current temperatures of the warm side and the cold side, lying in between Temperatures of enthalpy not used from the solar collector or an additional cooling unit can be since they neither warming the warm side still for cooling the cold side are suitable.
Den genannten Schwächen wird durch eine Erweiterung des Verfahrens des thermoelektrischen Akkumulators begegnet.The mentioned weaknesses is achieved by an extension of the method of the thermoelectric battery encountered.
Die Warmseite (Warmzelle) und die Kaltseite (Kaltzelle) erhalten einen definierten oberen und unteren Temperatursollwertbereich. Der untere Temperatursollwertbereich (Kaltzelle), ist vorgesehen um Wärme auf niedrigem Temperaturniveau aus der dem System zugeführten Enthalpieströmmung mit kontinuierlich sich ändernder Temperatur, zu Speichern. Diese wird zur elektrischen Energie Gewinnung genutzt bzw. zur Kühlung der Anordnung thermoelektrischer Generatoren.The Warm side (hot cell) and the cold side (cold cell) get one defined upper and lower temperature setpoint range. The lower Temperature setpoint range (cold cell), is provided to heat up low temperature level from the continuous enthalpy flow supplied to the system changing Temperature, to save. This becomes the source of electrical energy used or for cooling the arrangement of thermoelectric generators.
Der
Temperaturbereich zwichen den Sollwerten der Warm und der Kaltzelle,
wird aufgeteilt entsprechend einer Anzahl Wärmespeicher, denen jeweils
ein verschiedener Solltemperaturbereich zugeordnet wird. Die Temperaturen
dieser mittleren Bereiche tretten stadistisch sehr viel häufiger in
der Enthalpieströmmung
eines Solarkollektors auf als die Spitzenwerte. Der einfache Akkumulator
kann einen Großteil
dieser Energie je nach Temperaturzustand der zwei Speichermassen
nicht nutzen obwohl die Temperatur der Enthalpieströmung brauchbar
ist z. B. zur Heizungsunterstützung
oder zur Brauchwassererwärmung.
Egal welche Temperatur die Enthalpieströmung gerade hat. Zu einem anderen
Zeitpunkt ist diese Wärme
bzw. Kälte
nutzbar und wird daher der Speicherung zugeführt sofern die entsprechenden
Speicher nicht bereits Ihren oberen Temperaturgrenzwert erreicht
haben. Das System ist zugleich dazu vorgesehen elektrische Energie
zu erzeugen. Dabei können
z. B. durch Wärmeaustausch
zwichen der Warm und der Kaltzelle, Temperaturzustände auftretten,
bei denen die Warmzelle eine Temperatur unterhalb Ihres Sollwertes
und die Kaltzelle oberhalb hat. Je nach Nutzung, methereologischer
Veränderungen
sowie Dimensionierung bzw. Beschaffenheit des Systems, tretten solche
Abweichungen von den Sollwerten schon kurzfrißtig auf. Das Verfahren sieht Vor
in solchen Fällen,
die benachbarten Wärmespeichern
mittlerer Solltemperaturen, die aber statistisch betrachtet erheblich
häufiger
vorkommen, mitheranzuziehen zur Erwärmung der Warmzelle
Elektrische Akkumulatoraufladung:Electric accumulator charging:
Der Akkumulator ist zwar nicht dazu vorgesehen, aber es ist möglich, unter Nutzung des Umkehr-Effektes "Peltier-Effekt" (J. C. A. Peltier 1834), sowie auch in den Peltiermodulen entstehende Joule-Wärme, den Akkumulator elektrisch aufzuladen.Of the Although accumulator is not intended, but it is possible under Utilization of the reversal effect "Peltier effect" (J. C. A. Peltier 1834), as well as in the Peltier modules resulting Joule heat, the Charge accumulator electrically.
Energetisch viel sinnvoller ist die Thermische Aufladung mit einen Solarkollektor/Luftwärmetauschers.energetically much more useful is the thermal charge with a solar collector / air heat exchanger.
Thermische Akkumulatoraufladung (bevorzugt):Thermal accumulator charging (preferred):
Grundsätzlich ist
der Akkumulator indifferent gegenüber der Wärme bzw. Kältequelle mit der Sie aufgeladen
wird. Sie ist aber dazu erdacht Wärme aus der Umwelt insbesondere
verstärkt
mit einen Solarluftkollektor, in unterschiedliche Temperaturniveaus
abgestuft in den jeweiligen Akkumulatorzellen zu speichern um mit
den Temperaturdifferenzen elektrischen Strom zu erzeugen und oder
z. B. zu klimatisierungszwecke eines Hauses als Wärmespeicher bzw.
Kältespeicher
bereitzustehen. Winterliche Kälte ist
für die
Funktion des Akkumulators genauso dienlich wie sommerliche Wärme sofern
das System entsprechend dimensioniert wurde. Stellvertrettend für andere
Möglichkeiten,
wird beim Veranschauungsbeispiel (siehe Prinzipschaubild) der Wärmetransport zu
den Zellen und zwichen den Zellen über Heatpipes/Verdampfer
Der Akkumulator ist dazu vorgesehen mit Hilfe einer Enthalpieströmmung mit regelmäßig sich ändernder Temperatur wie Sie im Fluidkreislauf zwichen Solarkollektoren und Wärmespeichern vorkommt, geladen zu werden.Of the Accumulator is provided with the help of a Enthalpieströmmung changing regularly Temperature as you in the fluid circuit between solar panels and heat storage happens to be loaded.
In der Reihenfolge werden zunächst Zellen mit eines hohen Solltemperaturniveaus mit Wärme versorgt. Des bei diesem Vorgang fortschreitend abgekühlte Fluid versorgt nacheinander, weitere Zellen niedrigeren Solltemperaturniveaus mit Wärme. Die Geometrie des Versorgungsweges ist bevorzugt so zu dimensionieren, das eine geeignete Fließgeschwindigkeit entsteht.In the order will be first Cells with a high setpoint temperature level supplied with heat. The progressively cooled in this process fluid supplied in succession, more cells lower setpoint temperature levels with heat. The geometry the supply path is preferably to be dimensioned, the one suitable flow rate arises.
Der Akkumulator kann sowohl thermisch (bevorzugt) wie auch elektrisch aufgeladen werden. Der Akkumulator kann nach entsprechender Aufladung elektrischen Strom erzeugen. Sie kann aber auch schon während des thermischen Aufladungsprozesses elektrischen Strom generieren. Eines der Funktionsprinzipien des thermoelektrischen Akkumulators ist, egal welche Temperatur ein Kollektor/Luftwärmetauscher gerade zur Verfügung stellt, diese sortiert nach Solltemperaturbereiche den entsprechenden Akkumulatorzellen zuzuführen. Entsprechend dimensioniert man die Zellen bzw. Speichermassen nach der stadistisch zu erwartenden Häufigkeit. Dauer mit der die entsprechenden Temperaturen in der Enthalpieströmmung eines Solarkollektors vorkommen sowie der verfügbaren Enthalpie.Of the Accumulator can be both thermal (preferred) as well as electric to be charged. The accumulator can after appropriate charging electrical Generate electricity. But you can already during the thermal charging process generate electricity. One of the functional principles of the thermoelectric accumulator, no matter what temperature Collector / air heat exchanger currently available represents, this sorted by target temperature ranges the corresponding accumulator cells supply. Correspondingly, the cells or storage masses are dimensioned according to the stadistisch expected frequency. Duration with the corresponding temperatures in the enthalpy of a Solar collector and the available enthalpy.
Die im thermoelektrischen Akkumulator gemäß Prinzipschaubild enthaltene Logik, die stellvertrettend für andere Techniken steht, bewerkstelligt diesen ersten Teil der Aufgabe mit Hilfe von rein temperaturgetriebenen physikalischen Vorgängen, die eine temperaturgeführte elektrische Steuerung der Wärmezufuhr überflüssig machen. Wesentlich dabei sind Verdampfungstemperatur verschiedener Substanzen (bevorzugt Alkohole), Verdampfungsenergie, Kondensationsenergie, Druckverhältnise, Kapilarität, Gravitation, Geometrie etc. Marktübliche Heatpipes/Verdampfer, besitzen die Fähigkeit, unter Nutzung erwähnter physikalischer Vorgänge, einen sehr hohen Wärmetranspot zu leisten zwichen einer Masse mit Temperatur oberhalb Ihres Siedepunktes und einer Masse mit Temperatur unterhalb Ihres Siedepunktes zu leisten. Vergleichsweise gering sind die unvermeidbaren Transmissionswärmeverluste die in diesem Zusammenhang stehen.The contained in the thermoelectric accumulator according to the principle diagram Logic that substitutes for other techniques do accomplish this first part of the task with the help of purely temperature-driven physical processes, the one temperature-controlled electrical control of the heat supply superfluous. Essential here are evaporation temperature of various substances (preferably alcohols), evaporation energy, condensation energy, Pressure Verhältnise, capillarity, Gravity, geometry, etc. Standard heatpipes / evaporators, have the ability using mentioned physical processes, a very high heat transfer between a mass with temperature above its boiling point and a mass with temperature below your boiling point. Relatively small are the unavoidable transmission heat losses which are related to this.
Dem Akkumulator zugeführte Wärme wird sequentiell abgekühlt. Dabei wird zuerst Wärmeenergie an Zellen mit hohen Solltemperaturen abgegeben, dessen Solltemperaturbereich unter dem Temperaturniveau der zugeführten Wärme liegt und den oberen Temperatursollwert noch nicht erreicht haben. Dazu sind Heatpipes/Verdampfer mit auf den Solltemperaturbereich abgestimmten Siedepunkt angeordnet.the Accumulator supplied Heat becomes sequential cooled. This is first heat energy delivered to cells with high set temperatures, the set temperature range below the temperature level of the supplied heat and the upper temperature setpoint not yet reached. These are heatpipes / evaporator with on arranged the desired temperature range tuned boiling point.
Die Enthalpieströmmung hat bei diesem sequentiellen isobarischen Abkühlungsprozess je nach Ladungszustand des Akkumulators fortlaufend abgekühlt durch Heatpipes/Verdampfer die Wärme in Zellen Transportieren die noch nicht ihre obere Solltemperatur erreicht haben. Auf den Rückweg zum Kollektor umkreist der Wärmeenergieversorgungskanal oberseitig die Akkumulatorzellen. Deshalb oberseitig, weil die Vorgänge in Heatpipes/Verdampfer, mit Gravitation zu tun haben und in senkrechter Anordnung einen höheren Wirkungsgrad besitzen bzw. weil diese im oberen Bereich zur Kühlung von der Kaltseite zugeordneten Akkumulatorzellen eingesetzt werden, die sich im Zuge des elektrischen Batteriebetriebes, erwärmt haben.The Enthalpieströmmung has in this sequential isobaric cooling process depending on the state of charge of the accumulator continuously cooled by heat pipes / evaporator the heat in cells that do not yet transport their upper setpoint temperature achieved. On the way back to the collector, the heat energy supply channel is circled on the upper side the accumulator cells. Therefore on the upper side, because the processes in Heatpipes / evaporator, have to do with gravity and in a vertical arrangement a higher Have efficiency or because they are in the upper part for cooling the cold side associated accumulator cells are used, the have warmed up in the course of electrical battery operation.
Stromerzeugungsbetrieb:Power generation operation:
Im Vollaufgeladenen Zustand befinden sich die Temperaturen der Akkumulatorzellen innerhalb ihres Sollwertbereiches. Dabei besitzen die Beiden Zeilen mit der Bezeichnung Warmzelle und Kaltzelle jeweils die größte und niedrigste Temperatur. Die Anordnung von thermoelektrischen Generatoren die bevorzugt thermisch parallel und elektrisch seriell angeordnet sind, erzeugen aufgrund des Seebeck-Effektes eine elektrische Gleichstromspannung. Die Wärmezufuhr aus der Warmzelle in Verbindung mit der Kältezufuhr aus der Kaltzelle halten die Temperaturdifferenz zwichen den Flächen der Peltiermodule aufrecht und damit die elektrische Spannung. Ein externer Elektroenergie Verbraucher kann mit elektrischer Energie versorgt werden. Dabei entsteht ein beschleunigter Wärmefluß durch die Peltiermodule. Die dadurch entstehende Kühlung der Warmzelle und Erwärmung der Kaltzelle kann beim erweiterten Akkumulator in einem ersten Schritt dazu führen daß die Temperatur der Warmzelle die Tempeatur der benachbarten Zelle unterschreitet.in the Fully charged state are the temperatures of the battery cells within its setpoint range. The two have lines with the designation warm cell and cold cell respectively the largest and lowest temperature. The arrangement of thermoelectric generators which is preferably arranged thermally parallel and electrically serially are generate a DC electrical voltage due to the Seebeck effect. The heat supply from the hot cell in connection with the cold supply from the cold cell keep the temperature difference between the surfaces of the Peltier modules upright and thus the electrical voltage. An external electric energy Consumer can be supplied with electrical energy. there creates an accelerated heat flow through the Peltier modules. The resulting cooling of the hot cell and heating the Cold cell can with the extended accumulator in a first step lead to it that the temperature the hot cell falls below the temperature of the adjacent cell.
Mit Hilfe geeignet ausgewählter Verdampfer beginnt ein Wärmetransport aus der Nachbazelle gleiches passiert automatisch bei Unterschreitung der Solltemperatur der nächsten Zeile. Auf der Kaltseite passiert ähnliches. Die Temperatur der aufgewärmten Kaltzelle überschreitet die Temperatur der Nachbarzelle. Die geeignet ausgewählten Verdampfer beginnen automatisch mit einen Wärmetransport zur kühleren Nachbarzelle. Die Temperaturen der einzellnen Zellen verändern sich während der Stromerzeugung in beschriebener Weise bis Sie sich angenähert bzw. angeglichen haben und keine weitere elektrische Energiegewinnung möglich ist.With Help appropriately selected Evaporator starts a heat transfer the same thing happens automatically when falling below the Target temperature of the next Row. The same thing happens on the cold side. The temperature of the warmed Cold cell exceeds the temperature of the neighboring cell. The suitably selected evaporator begin automatically with a heat transfer to cooler Neighboring cell. The temperatures of the individual cells change while power generation in the way described until you approximate or have adjusted and no further electrical energy possible is.
Im oberen Bereich werden alle der Kaltseite zugeordneten Akkumulatorzellen abgekühlt, sofern Sie den oberen Temperatursollwert überschritten haben. Z. B. im Falle von Stahlbeton ist es sinnvoll, diesen oberen Grenzwert zu erweitern bezüglich der Angaben im Prinzipschaubild.in the Upper area are all the cold side associated accumulator cells cooled, if you have exceeded the upper temperature setpoint. Eg in the In the case of reinforced concrete, it makes sense to use this upper limit expand regarding the information in the schematic diagram.
Es gilt, der Inhalt der Heatpipes/Verdampfer ist insgesamt verdampft und nicht in der Lage durch weiteren Kondensations/Verdampfungszyklen Wärmetransport zu leisten, oder insgesamt verflüssigt und ebenfalls nicht in der Lage Wärmetransport zu leisten bzw. nur den ungewollten Wärmetransport durch Transmission. Die im Prinzipschaubild zu Veranschauungszwecke dargestellte Technik, beruht auf eine Regulierende Logik, die zur Veranschauung am Beispiel technisch mit Hilfe unterschiedlicher Verdampfungstemperaturen der entsprechenden Heatpipes/Verdampfer dargestellt wurde. Sie steht stellvertrettend für eine elektronische temperaturgeführte Steuerung, bei der z. B.. in Verbindung mit in den z. B. Stahlbetonzellen einbetonierter Wärmeaustauschverrohrungen wie z. B. in einer Fußboden oder Wandheizung üblich, von der Controllereinheit gesteuert, z. B. elektromechanisch geregelt einer konkreten Zelle Wärme zugeführt wird.It applies, the contents of the Heatpipes / evaporator is evaporated in total and not capable of further condensation / evaporation cycles heat transport to afford, or liquefied in total and also not capable of heat transport to afford or only the unwanted heat transfer through transmission. The technique shown in the schematic diagram for illustrative purposes, is based on a regulatory logic that exemplifies by example technically with the help of different evaporation temperatures of corresponding heat pipes / evaporator was shown. she stands substituting for an electronic temperature-controlled control, at the z. B .. in conjunction with in the z. B. reinforced concrete cells Heat exchange piping such as B. in a floor or wall heating usual, controlled by the controller unit, e.g. B. electromechanically controlled a concrete cell heat supplied becomes.
Die erforderliche elektrische Hilfsenergie eines solchen Managements sowie die Anfälligkeit bezüglich technischer Störungen, Hilfsenergie für Umwälzpumpen etc. steht der Einfachheit, Wartungsfreiheit, Selbstgeregeltheit etc. des zur Veranschauung ausgewählten Systems gegenüber. Natürlich auch einer gewisen Selbstentladungseigenschaft durch minimierbare aber unvermeidbare Wärmebrücken der Heatpipes bzw. Verdampfer.The required auxiliary electrical energy of such a management as well as the susceptibility in terms of technical faults, Auxiliary energy for Circulation etc. stands for simplicity, freedom from maintenance, self-control etc. of the system chosen for the purpose of Of course, one too Self-discharge property by minimizable but unavoidable Thermal bridges of Heatpipes or evaporator.
Die Fluidmassen die bewegt werden müßen um einen Versorgungskreislauf des erweiterten Akkumulators wie beschrieben zu genügen, hat selbstverständlich u. a. mit der geometrie der Kühlrippen, der Fließgeschwindigkeit etc. zu tun. Peltiermodule besitzen aktuell einen Wirkungsgrad weit unterhalb der Fotovoltaik von ca. ~ nur * 5% (unter günstigen Umständen bis zu 8%) in Bezug auf Seebeckeck-Effekt.The Fluid masses that have to be moved around one Supply circuit of the extended accumulator as described to suffice, has of course u. a. with the geometry of the cooling fins, the flow rate etc. to do. Peltier modules currently have an efficiency far below the photovoltaic of about ~ only * 5% (under favorable circumstances until to 8%) in terms of sea bucket effect.
Der ~10% bis 15% Wirkungsgrad der üblicherweise in Gebäuden installierten polykristallinen Photovoltaik, (abnehmend mit steigender Temperatur der Generatoren) steht gegenüber ein Wirkungsgrad moderner Absorber von Solarkollektoren von bis zu 95% abzüglich thermischer Verluste je nach eingesetzten Kollektortyp. Eine nach heutigem Stand der Peltiermodulentwicklung (gelegentlich auch Seebeckmodule genannt) von ~5 bis 8% Elektroenergiegewinnung abzüglich ca 1% Hilfsenergie kann eine Konkurrenz zur Photovoltaik darstellen. Auch aufgrund der Dauerlastigkeit die in Verbindung mit einer Thermoelektrischen Batterie möglich ist sowie der Möglichkeit thermische Verluste zur Verwendung im Gebäude nutzbar zu machen, möglicherweise zugunsten des Solarkollektors in Verbindung mit einer Thermoelektrischen Batterie ausgeht. Auch deshalb weil der Akkumulator in Verbindung mit einen Solarkollektor zugleich in einigen klimatischen Gebieten bzw. je nach Kollektorfläche etc. in der Lage ist die Beheizung eines Hauses fast 100%tig mit regenerativer Energie zu leisten. Die elektrische Energiegewinnung mindert nur unwesentlich die zur thermischen Nutzung zur Verfügung stehende Energie im System.Of the ~ 10% to 15% efficiency usually in buildings installed polycrystalline photovoltaic, (decreasing with increasing Temperature of the generators) is more modern compared to an efficiency Absorber of solar collectors of up to 95% less thermal losses depending on the collector type used. One of the current state of Peltier module development (occasionally also called Seebeck modules) of ~ 5 to 8% electric energy production less 1% auxiliary power can be a competition to the photovoltaic. Also due to the continuous load in conjunction with a thermoelectric Battery possible is as well as the possibility possibly exploiting thermal losses for use in the building in favor of the solar collector in conjunction with a thermoelectric Battery runs out. Also because of the accumulator in connection with a solar collector at the same time in some climatic areas or depending on the collector area etc. is capable of heating a house almost 100% tig with to provide renewable energy. The electrical energy production only insignificantly reduces the heat available Energy in the system.
Im Sommer sind viele solarthermische Anlagen von einem Überhitzungsproblem betroffen und werden wegen Explosionsgefahr entleert bzw. ausserbetrieb genommen. Der Energieangebot aus der Natur wird nicht genutzt.in the Summer are many solar thermal plants from an overheating problem are affected and are emptied due to explosion hazard or out of operation taken. The energy supply from nature is not used.
Erläuterungen zu den Zeichnungen.Explanations to the drawings.
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*1 ) Anhebung des Temperaturniveaus der Warmseite, mittels technischer Anlagen, einer für den Thermoelektrischen Batteriebetrieb vorgesehenen Masse bevorzugt durch Einsatz einer solarthermischen Anlage.*1 ) Raising the temperature level of the hot side, by means of technical equipment, a planned for thermoelectric battery operation mass preferred by using a solar thermal system. -
*2 ) Wärmeenergie Zuführung zur Temperaturerhöhung einer oder mehrerer für den Thermoelektrischen Batteriebetrieb der Warmseite vorgesehenen Massen bevorzugt mit einer solar-thermischen Anlage.* 2 ) Heat energy supply to increase the temperature of one or more provided for the thermoelectric battery operation of the hot side masses preferably with a solar thermal system. -
*3 ) Absenkung des Temperaturniveaus mittels technischer Anlagen, bevorzugt mit auch zur Kühlung geeigneter solarthermischer Anlagen, einer für den thermoelektrischen Batteriebetrieb vorgesehenen Masse.* 3 ) Lowering the temperature level by means of technical equipment, preferably with suitable also for cooling solar thermal systems, a provided for the thermoelectric battery operation mass. -
*4 ) Kühlvorrichtung für Masse niedrigeren Temperaturniveaus falls erforderlich. z. B. durch nächtlichen Betrieb des gleichen Solarkollektors, welches im Tagbetrieb der Masse höherem Temperaturniveaus bzw. der Warmseite, Wärme zur Verfügung gestellt hat.* 4 ) Cooler for mass lower temperature levels if required. z. B. by nocturnal operation of the same solar collector, which has provided in daytime operation of the mass higher temperature levels or the warm side, heat available. -
*5 ) Zusätzliche Kühlung der Masse niedrigerem Temperaturniveaus im Sommer bzw. wenn Nutzwärmeentnahme z. B. durch Warmbrauchwasserentnahme aus der Masse niedrigerem Temperaturniveaus nicht ausreicht.* 5 ) Additional cooling of the mass lower temperature levels in the summer or when useful heat removal z. B. by Heizbrauchwasserentnahme from the mass lower temperature levels is insufficient. -
*6 ) Wärmezufuhr stellvertrettend für vor und Rücklauf im Falle eines Fluids.* 6 ) Heat supply substitute for forward and reverse in the case of a fluid. -
*7 ) Stellvertrettend für vor und Rücklauf im Falle eines Fluids.* 7 ) Substituting for forward and reverse in the case of a fluid. -
*8 ) Thermoelektrisches Element oder Anordnung Thermoelektrischer Elemente, welche auf der Grundlage des thermoelektrischen Effektes Seebeck (T. J. Seebeck, 1822) elektrischen Strom generieren können bzw. unter Nutzung des Umkehr-Effektes Peltier (J. C. A. Peltier, 1834), zum Aufladen des Akkumulators verwendet werden können.*8th ) Thermoelectric element or arrangement of thermoelectric elements, which can generate electricity based on the thermoelectric effect Seebeck (TJ Seebeck, 1822) or can be used for charging the accumulator using the inverse effect Peltier (JCA Peltier, 1834). -
*9 ) Wärmespeichermasse mit höherer Temperatur wenn Akkumulator geladen ist. (Warmzelle)* 9 ) Heat storage mass with higher temperature when accumulator is charged. (Hot cell) -
*10 ) Masse niedrigerer Temperatur wenn Akkumulator geladen ist. (Kaltzelle)* 10 ) Mass of lower temperature when battery is charged. (Cold cell) -
*11 ) Wärmetauscher Warmseite.* 11 ) Heat exchanger hot side. -
*12 ) Wärmetauscher Kaltseite.* 12 ) Heat exchanger cold side. -
*13 ) Die Zirkulation dient der Erhöhung des Wirkungsgrades. Bevorzugte Ausführung mit thermogravitatorisch angetriebener Zirkulation mit oder ohne Unterstützung durch Umwälzpumpen. Im Falle z. B. eines Metalls als Wärmeleiter (bevorzugt Kupfer), sind je nach Geometrie auch ohne Zirkulation hohe Wirkungsgrade möglich.* 13 ) The circulation serves to increase the efficiency. Preferred embodiment with thermo-gravitationally driven circulation with or without the assistance of circulating pumps. In the case of z. As a metal as a heat conductor (preferably copper), high efficiencies are possible depending on the geometry without circulation. -
*14 ) Bevorzugte Ausführung der Warmseite: Wärmespeichermasse welche bevorzugt vom Solarkollektorkreislauf mit Wärme gespeißt wird. Die Warmseite sollte ausgestattet sein mit einer Wärmeaustauschvorrichtung die es ermöglicht im Winter aus einer Weiteren Wärmequelle mit Wärme gespeißt zu werden, falls erforderlich.* 14 ) Preferred embodiment of the hot side: heat storage mass which is preferably fed by the solar collector circuit with heat. The hot side should be equipped with a heat exchange device that allows it to be fed with heat from another heat source in winter, if required. -
*15 ) Bevorzugte Ausführung der Kaltseite: Allgemeinbekannt ist, daß unter deutschen klimatischen Bedingungen, bei normaldimensionierten Solarkollektoranlagen ein sommerliches Überhitzungsproblem gegeben sein kann. Nachts hat auch im Sommer z. B. die Aussenluft geeignetere Temperaturen als Tagsüber um zur Lösung des Problems durch Kühlung des Systems, mit technischen Hilfsmitteln genutzt zu werden. Der thermoelektrische Akkumulator, kann auch üblicherweise im Sommer, also in einer Zeit in der Energieangebot und Bedarf erheblich auseinanderklaffen, diese bisher verlorene thermische Energie nutzen zur Erzeugung elektrischer Energie. Dies kann geschehen sowohl durch Heranziehung einer Kältereserve aus der Nacht oder je nach Auslegung des Systems aus dem Winter. Die größte Energieeffizienz ergibt sich wenn die Kaltseite zur Brauchwarmwasserbereitung herangezogen wird bzw. wenn Nutzwärmeentnahme aus der Kaltseite erfolgt. Erst wenn die Temperatur der Warmseite nicht ausreichend hoch ist um Nutzwärme z. B. zur Brauchwarmwasserbereitung zu liefern, wird die Warmseite mit herangezogen. Z. B. kann eine Mischbatterie, eingesetzt werden um die erforderliche Brauchwarmwasser Temperatur durch Hinzumischen eines Anteils aus der Warmseite. Unter deutschen klimatischen Bedingungen ist typischerweise nur im Sommer eine nächtliche Kühlung energetisch betrachtet angebracht. Im Frühjahr und Herbst ist bei normaldimensionierten Solarkollektoranlagen, der Angebot an thermischer Energie etwa gleich dem Bedarf. Üblicherweise im Sommer kann eine Energetische Situation entstehen, bei der daß solarthermische System an Überhitzung leidet da die Nutzwärmeentnahme nicht ausreicht um die Kaltseite ausreichend abzukühlen. Wie im graphischen Teil des Beispieles dargestellt, ist in solchen Fällen eine sommerliche Kühlung erforderlich, die bevorzugt nachts stattfindet da unter deutschen klimatischen Bedingungen, besonders im Sommer, nachts zur Kühlung geeignetere Aussenlufttemperaturen gegeben sind um energieeffizient die Kaltseite mit Hilfe der Aussenluft zu kühlen. Je nach Dimensionierung des Systems ist auch eine Kältereserve z. B. aus der Winterzeit möglich die in Zeiten der Überhitzung zur Kühlung herangezogen wird. Um Kosten zu sparen, kann in Zeiten der Überhitzung, als nächtliche Kühlvorrichtung der gleiche Solarkollektor eingestzt werden welches tagsüber mit Hilfe der solaren Wärme-Einstrahlung, der Warmseite Wärme zugeführt hat, sofern der Solarkollektortyp eine Eignung besitzt um auch z. B. nächtlich zur Kühlung der Kaltseite eingesetzt zu werden, ergibt sich eine wirtschaftlich besonders günstige Ausführung des Systems wie im Beispiel dargestellt. Die energetisch Sinnvollste Kühlung des Systems ergibt sich wenn die Kaltseite gleichzeitig Nutzwärmelieferant ist.* 15 ) Preferred embodiment of the cold side: It is generally known that under summer climatic conditions, with normal sized solar collector systems, a summer overheating problem can be present. At night also in the summer z. B. the outside air more suitable temperatures than during the day to solve the problem by cooling the system to be used with technical tools. The thermoelectric accumulator, can also usually diverge significantly in the summer, so at a time in the energy supply and demand, use this previously lost thermal energy to generate electrical energy. This can be done either by using a cold reserve from the night or depending on the design of the system from the winter. The greatest energy efficiency results when the cold side is used for domestic hot water preparation or when useful heat extraction takes place from the cold side. Only when the temperature of the hot side is not sufficiently high to useful heat z. B. to provide domestic hot water, the hot side is used. For example, a mixer tap, can be used to the required domestic hot water temperature by adding a portion of the hot side. Under German climatic conditions, nocturnal cooling is typically energetically appropriate only in summer. In spring and autumn, with normal-sized solar collector systems, the supply of thermal energy is about equal to the demand. Usually in the summer, an energetic situation may arise in which the solar thermal system suffers from overheating because the Nutzwärmeantnahme is not sufficient to cool the cold side sufficiently. As shown in the graphic part of the example, a summer cooling is required in such cases, preferably at night under German climatic conditions, especially in summer, at night more suitable for outdoor air temperatures are cool to energy-efficient cool the cold side with the help of the outside air. Depending on the dimensions of the system is also a cold reserve z. B. from the winter time possible which is used in times of overheating for cooling. To save costs, can be used in times of overheating, as nocturnal cooling device of the same solar collector which during the day with the help of solar heat radiation, the warm side has supplied heat, if the solar collector type has a suitability to z. B. nocturnal to be used for cooling the cold side, results in a particularly economical embodiment of the system as shown in the example. The energetically most sensible cooling of the system results when the cold side is at the same time useful heat supplier. -
*16 ) Optionale Sperreinrichtung zur Unterbrechung des Wärmetransportes auf der Warmseite.* 16 ) Optional locking device for interrupting the heat transfer on the hot side. -
*17 ) Optionale Sperreinrichtung zur Unterbrechung des Wärmetransportes auf der Kaltseite. Von Bedeutung wenn die Aufladung des Akkumulators durch Zuführung elektrischer Energie gewünscht wird (nicht empfohlen). Im gesperrten Zustand wird die Joule Wärme zur Erwärmung der Warmseite verstärkt genutzt. Nachdem der Wärmepumpeneffekt der Peltiermodule nicht mehr ausreicht um die Temperaturdifferenz weiter zu erhöhen, wird das Ventil gesperrt und die Stromstärke erhöht* 17 ) Optional locking device for interrupting the heat transfer on the cold side. Of importance when charging the accumulator by supplying electrical power is desired (not recommended). In the locked state, the Joule heat is increasingly used to heat the hot side. After the heat pump effect of the Peltier modules is no longer sufficient to further increase the temperature difference, the valve is locked and increases the current -
*18 ) Wärmedämmung. Z. B Vakuumdämmpaneele* 18 ) Insulation. Z. B Vakuumdämmpaneele -
*19 ) U = f (T1 – T2) (Kelvin Relation). Durch Seebeck Effekt hervorgerufene Elektrische Spannung infolge einer Temperaturdifferenz (T1 – T2) welcher die Anordnung thermoelektrischer Generatoren ausgesetzt ist.* 19 ) U = f (T1 - T2) (Kelvin relation). Electrical voltage caused by Seebeck effect due to a temperature difference (T1 - T2) which is exposed to the arrangement of thermoelectric generators. -
*20 ) Zeit und oder temperaturgeführte Umschaltung auf Kühl bzw. Nachtbetrieb. Im Falle eines zirkulierenden Fluids zur Erhöhung des Wärmetransportes, i. v. m. zwei Umwälzpumpen, kann die Umschaltung durch Abschaltung der Umwälzpumpe welche für den Wärmetransport mit der Masse höherer Temperatur zuständig ist und Einschaltung einer Umwälzpumpe die den Kühlbetrieb der Kaltseite auslöst. Auch kann eine einzelne Umwälzpumpe eingesetzt werden in Verbindung mit temperatur bzw. zeitgesteuerter Ventile.* 20 ) Time and / or temperature-controlled switching to cooling or night mode. In the case of a circulating fluid to increase the heat transfer, ivm two circulation pumps, the switching by switching off the circulation pump which is responsible for the heat transfer to the mass higher temperature and switching on a circulation pump which triggers the cooling operation of the cold side. Also, a single circulation pump can be used in conjunction with temperature or time-controlled valves. -
*21 ) Anordnung von Heatpipes bzw. Verdampfer mit Siedepunkte 30°C und 50°C* 21 ) Arrangement of heatpipes or evaporators with boiling points 30 ° C and 50 ° C -
*22 ) Anordnung von Heatpipes bzw. Verdampfer mit Siedepunkte 50°C und 70°C* 22 ) Arrangement of heatpipes or evaporators with boiling points 50 ° C and 70 ° C -
*23 ) Anordnung von Heatpipes bzw. Verdampfer mit Siedepunkte 70°C und 90°C* 23 ) Arrangement of heatpipes or evaporators with boiling points 70 ° C and 90 ° C -
*24 ) Anordnung von Heatpipes bzw. Verdampfer mit Siedepunkte 15°C und 30°C* 24 ) Arrangement of heatpipes or evaporators with boiling points 15 ° C and 30 ° C -
*25 ) Anordnung von Heatpipes bzw. Verdampfer mit Siedepunkte 30°C, 50°C und 70°C* 25 ) Arrangement of heatpipes or evaporators with boiling points 30 ° C, 50 ° C and 70 ° C -
*26 ) Anordnung von Heatpipes bzw. Verdampfer mit Siedepunkt 30°C* 26 ) Arrangement of heatpipes or evaporator with boiling point 30 ° C -
*27 ) Wärmespeicher vorgesehen um Wärme im Temperaturbereich 30°C bis 50°C zu speichern* 27 ) Heat storage is provided to store heat in the temperature range 30 ° C to 50 ° C. -
*28 ) Wärmespeicher vorgesehen um Wärme im Temperaturbereich 50°C bis 70°C zu speichern* 28 ) Heat storage is provided to store heat in the temperature range 50 ° C to 70 ° C. -
*29 ) Fluidzirkulation mit regelmäßig sich verändernder Temperatur. Alternativ ist auch eine Wärmeübertragung über einen Festkörper möglich.* 29 ) Fluid circulation with regularly changing temperature. Alternatively, a heat transfer via a solid body is possible. -
*30 ) Die Masse niedrigster Sollwerttemperatur sowie die Masse höchster Sollwerttemperatur werden in diesem Beispiel zur Vermeidung einer Zirkulation bis zur Anordnung thermoelektrischer Generatoren geführt. Eine Zirkulation ist bei diesem Beispiel nicht vorgesehen.* 30 ) The mass of the lowest setpoint temperature as well as the mass of the highest setpoint temperature are led in this example to avoid circulation until the arrangement of thermoelectric generators. A circulation is not provided in this example.
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