Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Modul, das in Solarkollektoren integrierbar ist, und welches in der Lage ist, Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Es basiert auf dem thermoelektrischen Effekt spezieller ionischer Flüssigkeiten, welche in Kanälen im Inneren einer elektrischen und thermischen Isolationsschicht verlaufen. Auf der Ober- und Unterseite dieser Kanäle befinden sich Elektroden aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material, die mit der ionischen Flüssigkeit im Inneren der Kanäle im Kontakt stehen. Besteht eine Temperaturdifferenz zwischen der oberen und unteren Seite dieser Kanäle, wird eine elektrische Spannung generiert, die an den Elektroden abgegriffen werden kann. Die Kanäle haben

Querschnitte beispielsweise von einigen μιτι bis hin zu wenigen mm. Sie sind dicht an dicht in den Modulen angeordnet und können sowohl in Reihe als auch in parallel verschaltet sein. Vereint man die Module zu einem Kollektor, können diese

untereinander ebenfalls in Reihe oder parallel verschaltet werden. Die

erfindungsgemäße Konstruktion kann auch mit Photovoltaikmodulen kombiniert oder direkt in diese integriert werden, was zu einer Steigerung der Energieausbeute führt. In speziellen Fällen können aus solchen Modulen auch Teile für die Elektronik gefertigt werden, wie z. B. Sensoren oder Ähnliches.

Der thermoelektrische Effekt wurde von etwa 200 Jahren von Johann Seebeck entdeckt, weshalb er auch als Seebeck-Effekt bezeichnet wird. Er führt zu einem elektrischen Stromfluss und tritt auf, wenn man zwei verschiedene elektrische Leiter in Kontakt bringt und man einen dieser Leiter erwärmt.

Heute sind eine Reihe von Modulen kommerziell erhältlich, die diesen Effekt nutzen. Sie sind oft Bestandteil so genannter thermoelektrischer Generatoren (TEG) und verwenden häufig Halbleiter. Größter Nachteil dieser Module und somit auch der aktuell erhältlichen TEG ist die Tatsache, dass sie relativ hohe

Temperaturunterschiede zwischen der warmen und kalten Seite benötigen, um auf nennenswerte Energieausbeuten zu kommen. Darüber hinaus ist ihre Fertigung recht aufwändig, was zu einem relativ hohen Preis führt.

Seit mehreren Jahren ist bekannt, dass nicht nur metallische Leiter und Halbleiter einen thermoelektrischen Effekt aufweisen, sondern auch einige spezielle so genannte ionische Flüssigkeiten. Ionische Flüssigkeiten sind im Grunde Salzschmelzen mit Schmelzpunkten unter 100°C. Um eine Assoziation niedriger Temperaturen mit dem Wort Schmelze zu vermeiden, werden sie als ionische Flüssigkeiten bezeichnet. Ionische Flüssigkeiten bestehen aus Kationen und Anionen, wie z. B. :

Kationen Anionen

BF ₄ ^" PF ₆ ^"

CuCI ₂ ^" AICU ^"

Je nach gewählter Kation/Anion-Kombination sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften einer ionischen Flüssigkeit sehr unterschiedlich. Alle ionischen

Flüssigkeiten haben jedoch definitionsgemäß folgende Eigenschaften gemeinsam :

- Sie bestehen ausschließlich aus Ionen;

- Sie sind unter 100°C flüssig;

- Sie verdampfen unterhalb ihrer thermischen Zersetzung nicht;

- Sie sind nicht brennbar;

- Sie sind elektrisch leitend.

Ionische Flüssigkeiten sind seit Jahrzehnten bekannt. Sie wurden für Anwendungen als Flüssigelektrolyt in der Elektrochemie entwickelt. Gegenstand der Forschungen waren zunächst jedoch nur sehr wasser- und luftempfindliche Schmelzen auf

Aluminiumchloridbasis. Der Durchbruch wurde erst 1992 erzielt mit der Entdeckung luftstabiler und weniger hydrolyseempfindlicher ionischer Flüssigkeiten wie den Tetrafluoroboratschmelzen. Seit Ende der 1990er Jahre werden ionische Flüssigkeiten mit stetig wachsender Variationsbreite auch kommerziell hergestellt. In der Fachliteratur findet man zunehmend Veröffentlichungen, die den thermoelektrischen Effekt bei einigen ionischen Flüssigkeiten beschreiben. So befassen sich beispielsweise Theodore J. Abraham, Douglas R. MacFarlanea and Jennifer M. Pringleb in ihrer Publikation„High Seebeck coefficient redox ionic liquid electrolytes for thermal energy harvesting" aus Energy Environ. Sei., 2013, 6, 2639- 2645 mit den so genannten Seebeck-Koeffizienten einiger ionischer Flüssigkeiten.

Andere Literaturstellen haben TEG auf der Basis von ionischen Flüssigkeiten zum Gegenstand. Die darin beschriebenen Aufbauten sind allerdings in erster Linie Messaufbauten zur Ermittlung physikalischer Werte und weniger als Elemente zur technischen Energiegewinnung geeignet, wie auch jener aus der in der Publikation „Ionic Liquid-based Thermoelectric Generator Links between Liquid Data and

Generator Characteristics", aus: Materials Today: Proceedings 2 ( 2015 ) 680 - 689. In der Veröffentlichung„Development of Flexible Micro-Thermo-electrochemical Generators Based on Ionic Liquids", erschienen 2014 in Journal of Electronic

Materials, DOI : 10.1007/sl l664-014-3126-l, wird ein Aufbau beschrieben, bei dem zwei unterschiedliche ionische Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. Mit diesen

Flüssigkeiten werden kleine Töpfchen befüllt, die untereinander in Reihe verschaltet sind. So wie das Konstrukt beschrieben ist, hat es den Nachteil, dass es sehr schwierig zu fertigen ist und aufgrund der geringen Menge an ionischen Flüssigkeiten pro Töpfchen vermutlich auch nur eine geringe Leistung erzielten kann.

Die Idee, TEG in Solaranlagen mit handelsüblichen Modulen zu kombinieren, ist literaturbekannt und auch Gegenstand mehrerer Patentenmeldungen. In Ermangelung von Alternativen kommen bei allen vorgefundenen Schutzrechten klassische Module auf Metall- oder Halbleiterbasis zu Einsatz. Solche TEG-Module benötigen relativ hohe Temperaturunterschiede, um auf nennenswerte Energieausbeuten zu kommen, die jedoch mit Solarmodulen in der Praxis nur schwer zu erreichen sind.

So beschreibt beispielsweise die Offenlegungsschrift DE102006033816A1 ein System, welches aus einem Solarthermiemodul und einem TEG besteht. Erfindungsgemäß wird mit dem Solarmodul eine Flüssigkeit erwärmt, die in einen Wärmetauscher gepumpt wird, in welchen der TEG integriert ist. Die Anmeldung DE102008008652A1 beschreibt einen so genannten

thermoelektrischen Akkumulator. Bei diesem Aufbau stehen mehrere TEG im Kontakt mit einem Solarthermiekollektor. Entsprechend der Beschreibung ist der Akkumulator insbesondere dafür vorgesehen, in effizienter Weise eine Enthalpieströmung mit kontinuierlich sich verändernder Temperatur, wie sie im Zirkulationskreislauf solarthermischer Anlagen vorkommt, zur elektrischen Energiegewinnung einzusetzen.

In DE102008009979A1 wird eine Anordnung von TEG Modulen beschrieben, die auf der Unterseite eines Solarkollektors angebracht sind. Durch den

Temperaturunterschied, der durch den Solarkollektor generiert wird, erzeugen die TEG elektrische Energie.

Bei der in WO002013183074A1 beschriebenen Erfindung sind mehrere TEG Module zu einer Einheit zusammengefasst. Der erforderliche Temperaturunterschied kommt dadurch zustrande, dass nur die Oberseite der Module unter einer Glasabdeckung der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, wodurch elektrische Energie generiert wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein System zu beschreiben, das auf dem thermoelektrischen Effekt von ionischen Flüssigkeiten basiert und welches die Grundlage für Module zu Gewinnung elektrischer Energie darstellt, welche industriell in Serie gefertigt werden können. Die auf diesem System basierenden Konstruktionen können entweder als eigenständige Module ausgestaltet werden, die Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln, oder aber als Teil bestehender Photovoltaikmodule deren Ausbeute an elektrischer Energie steigern.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, einen Träger aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material zu fertigen, der eine Reihe von parallel verlaufenden Kanälen aufweist. Diese Kanäle werden mit einer oder zwei unterschiedlichen, geeigneten ionischen Flüssigkeiten befüllt. Die Ober- und Unterseite eines jeden Kanals ist von einem thermisch und elektrisch leitenden Material, wie z. B einem Metall verschlossen, welches im unmittelbaren Kontakt zu der ionischen Flüssigkeit aus dem Kanal steht. Im Falle eines Temperaturunterschiedes zwischen der oberen und unteren Seite des betreffenden Kanals wird eine elektrische Spannung generiert, die über die elektrisch leitende Ober- und Unterseite abgegriffen werden kann. Die Geometrie des Querschnittes der Kanäle wird von der angewandten Fertigungstechnik bestimmt und kann sowohl rund, quadratisch, rechteckig, dreieckig sein oder auch andere Formen aufweisen.

Für bestimmte ionische Flüssigkeiten können bei Temperaturunterschieden zwischen der Ober- und Unterseite der Kanäle von nur einigen zehn Grad Celsius Spannungen im Bereich zweistelliger mV Werte pro Kanal gemessen werden. Will man höhere Spannungen erzielen, müssen die Kanäle in Reihe geschaltet werden. Werden alle Kanäle mit der gleichen ionischen Flüssigkeit befüllt, muss die Verschaltung der Kanäle durch elektrisch leitende, externe Verbindungselemente erfolgen. Die

Beschaffenheit der Verbindungselemente muss so gewählt werden, dass sie keine Wärmebrücken zwischen der Ober- und Unterseite der Kanäle bilden.

Die Konstruktion kann vereinfacht werden, wenn man je zwei benachbarte Kanäle abwechselnd mit zwei unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten befüllt. Aus der Laborpraxis ist bekannt, dass es ionische Flüssigkeiten gibt, die z. B. bei einer warmen Oberseite des Kanals dort eine positive Spannung generieren und auf der kälteren Unterseite eine negative. Nachfolgend sind diese ionischen Flüssigkeiten als Typ - 1 IL bezeichnet. Derlei ionische Flüssigkeiten sind z. B. chemische

Verbindungen des Typs [HMIM][X]. Wobei X ein Halogenid-Ion wie z. B. I-; Cl- usw. sein kann. Bei anderen ionischen Flüssigkeiten verhält es sich genau umgekehrt. Wird die Oberseite des Kanals erwärmt, wird dort die negative Spannung generiert, während sich der Pluspol nun auf der kälteren, also unteren Seite befindet. Diese ionischen Flüssigkeiten werden nachfolgend als Typ - 2 IL bezeichnet. Es sind Verbindungen des Typs [BMIM][BF4] oder Ähnliche. Gestaltet man nun die leitenden Schichten auf den Ober- und Unterseiten der Kanäle so aus, dass sie paarweise und gleichzeitig oben und unten versetzt immer zwei Kanäle umfassen, erhält man eine konstruktiv sehr einfach zu realisierende Reihenschaltung der Kanäle.

Ausführungsbeispiele:

Beispiel 1 :

Einzelkanalelement In eine Platte aus elektrisch isolierendem Material wie z. B. wie z. B. Epoxydharz, Hartpapier, Keramik oder ähnlichem wird ein runder Kanal von beispielsweise 1mm Durchmesser gefräst. Die Ober- und Untersite dieser Platte ist mit einem leitenden Material, z. B. einem Metall wie Kupfer, Silber usw. beschichtet, welche den Kanal nach oben und unten hin verschließt. Dieser Kanal wird mit einer ionischen

Flüssigkeit, z. B. [BMIM][BF4] befüllt und versiegelt. Die Oberseite der Platte wird erwärmt, die Unterseite gleichzeitig gekühlt, so dass ein Temperaturunterschied von ca. 25° C entseht. In diesem Fall kann zwischen der Ober- und Untersite der Platte eine elektrische Spannung von ca. 15 mV gemessen werden. Bei einem

Temperaturunterschied von ca. 10° C zwischen Ober- und Unterseite beträgt die gemessene Spannung noch ca. 5 mV.

Beispiel 2:

Mehrkanalelement: mit einer ionischen Flüssigkeiten (IL); Thermovoltaik (TV) Modul Ordnet man mehrere Kanäle wie in Beispiel 1 beschrieben auf einer Platte an, erhält man ein Mehrkanalelement. In Fig. 1 ist eine solche Konstruktion schematisch dargestellt. Sie zeigt den Fall eines Moduls, bei dem alle Kanäle mit der gleichen ionischen Flüssigkeit befüllt sind. Die [Isolierschicht] weist die erwähnten, parallel verlaufenden Kanäle auf. Sie besteht aus einem elektrisch und thermisch nicht oder nur schlecht leitenden Materialien wie z. B. einem Kunststoff (Epoxydharz, Melamin- Formaldehydharz, Phenol-Formaldehydharz usw.), einer Keramik, aus Glas usw. Auf der Ober- und unteres Seite der Platte befindet sich die elektrisch und thermisch [leitende Schicht]. Sie kann beispielsweise aus einem Metall bestehen, wie Kupfer, Aluminium, Silber, Gold usw., einem elektrisch und thermisch leitenden Kunststoff oder ähnlichem und ist in mehrere Streifen unterteilt. Die Kanäle in der

[Isolierschicht], sind in der Zeichnung beispielhaft mit einem runden Querschnitt dargestellt. Ihr Querschnitt kann jedoch auch rechteckig, quadratisch, dreieckig, vieleckig usw. sein, und wird von den fertigungstechnischen Vorgaben bestimmt. Die Unterseite des einen Kanals ist immer mit der Oberseite den benachbarten Kanals mit einem leitenden Element verbunden, [elektrischer Leiter]. Das Material, aus dem dieses Element gefertigt ist und/oder seine Beschaffenheit, wird so gewählt, dass es zwar eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist, jedoch eine sehr schlechte thermische. In der Praxis kann man hierfür Metalldrähte mit relativ niedrigem

Querschnitt von einigen Millimetern oder Zentimetern Länge einsetzen. Auf diese Weise werden die Kanäle elektrisch in Reihe geschaltet, so dass sich deren

Spannungen addieren. Die Spannung, die bei einem Temperaturunterschied der Ober- und Unterseite generiert wird, wird an den beiden Enden [UB+] und [UB-] abgegriffen.

Beispiel 3:

Mehrkanalelement: mit zwei ionischen Flüssigkeiten (IL); Thermovoltaik (TV) Modul Fig. 2 zeigt den Fall eines Moduls, das mit zwei unterschiedlichen ionischen

Flüssigkeiten betrieben wird. Die [Isolierschicht] weist die erwähnten parallel verlaufenden Kanäle auf. Sie besteht - wie bei Beispiel 1 und 2 auch - aus elektrisch und thermisch nicht oder nur schlecht leitenden Materialien wie z. B. einem Kunststoff (Epoxydharz, Melamin-Formaldehydharz, Phenol-Formaldehydharz usw.), einer Keramik, aus Glas usw. Auf der Ober- und Unterseite der Platte befindet sich die elektrisch und thermisch [leitende Schicht]. Sie kann beispielsweise aus einem Metall bestehen, wie Kupfer, Aluminium, Silber, Gold usw., einem elektrisch und thermisch leitenden Kunststoff oder ähnlichem und ist in mehrere Streifen unterteilt. Auch hier sind Kanäle in der [Isolierschicht], in der Zeichnung beispielhaft mit einem runden Querschnitt dargestellt. Ihr Querschnitt kann jedoch auch rechteckig, quadratisch, dreieckig, vieleckig usw. sein und wird von den fertigungstechnischen Vorgaben bestimmt. Die Kanäle sind abwechselnd mit ionischen Flüssigkeiten des Typs 1 oder 2 befüllt ([Kanal mit Typ -1 IL], [Kanal mit Typ 2 - IL]). Aufgrund der Tatsache, dass die Streifen der [leitenden Schicht] immer je zwei Kanäle miteinander verbinden, die mit ionischen Flüssigkeiten unterschiedlichen Typs befüllt sind, sind die Kanäle elektrisch in Reihe geschaltet, so dass sich deren Spannungen addieren. Die

Spannung, die bei einem Temperaturunterschied der Ober- und Unterseite generiert wird, wird an den beiden Enden [UB+] und [UB-] abgegriffen.

Beispiel 4:

Kombiniertes Photovoltaik (PV) / Thermovoltaik (TV) Modul

Fig 3 zeigt beispielhaft ein Thermovoltaik Modul, wie es in Beispiel 3 beschrieben [IL- TV-Modul] ist, und welches mit einem Photovoltaik Modul [PV Modul] kombiniert wurde. Eine ähnliche Konstruktion kann auch mit dem Modul aus Beispiel 2 realisiert werden. Das [IL-TV-Modul] wird dabei auf der Unterseite des [PV-Moduls]

angebracht. Das kann z. B. durch Verkleben, Verschrauben oder jeder anderen geeigneten Verbindungstechnik erfolgen. Die Elektroden des [IL-TV-Moduls] und jene das [PV-Moduls] sind elektrisch im Kontakt, so dass sich die an [UB+] und [UB-] abgegriffene Spannung aus der des [IL-TV-Moduls] und jener das [PV-Moduls] zusammensetzt. Der elektrische Kontakt zwischen dem [IL-TV-Modul] und dem [PV- Modul] kann, er muss aber nicht unmittelbar erfolgen. Er kann auch über geeignete elektronische Bauteile oder Schaltungen hergestellt werden. Auf der Unterseite des [IL-TV-Moduls] ist ein Kühler befestigt. Beispielhaft ist in der Zeichnung ein

Rippenkühler aus Metall dargestellt. In der Praxis kann jedoch jedes andere kühlende Element zum Einsatz kommen. Vorteilheft sind Kühlelemente, die mit so genannten Heat-Pipes ausgestattet sind. Diese können die Wärme schnell und effizient vom Modul wegleiten und so für eine optimale Kühlung sorgen. Derlei Kühlelemente können auch mit der Halterung des Moduls kombiniert werden. In jedem Fall ist darauf zu achten, dass weder das [PV-Modul] noch der [Kühler] die leitenden

Schichten des [IL-TV-Moduls] elektrisch kurz schließen. Eventuell sind dazwischen Folien oder Platten von elektrisch isolierenden Materialien mit einer guten

Wärmeleitfähigkeit wir Glimmer, spezielle Kunststoffe oder Lacke usw. anzubringen oder aufzutragen.

Beispiel 5:

Kombiniertes Photovoltaik (PV) / Thermovoltaik (TV) mit integrierten Kanälen

Geht man fertigungstechnisch einen Schritt weiter, kann man ein kombiniertes Photovoltaik (PV) / Thermovoltaik (TV) Modul herstellen, bei dem die Kanäle direkt in das PV-Modul integriert sind. Ein solches Modul ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Obwohl hier der Fall eines Moduls gezeigt wird, das mit zwei unterschiedlichen ionische Flüssigkeiten betrieben wird, kann ein ähnlicher Aufbau auch nach dem Prinzip eines Mehrkanalelements mit einer ionischen Flüssigkeit realisiert werden, welches in Beispiel 2 beschrieben wird. In diesem Fall ist dann die Form der

[leitenden Schicht] so zu verändern, dass sie nur einen Kanal umfasst. Auch sind dann die einzelnen Metallschichten, wie in Beispiel 2 gezeigt, elektrisch zu verbinden. Baut man das Modul nach dem Prinzip eines Mehrkanalelementes mit zwei

unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten wie in Beispiel 3 beschrieben, vereinfacht sich die Konstruktion, da die zusätzlichen elektrischen Leiter, die jeweils Ober- und Unterseite der [leitenden Schicht] verbinden, entfallen. Der große Vorteil dieser Konstruktion gegenüber jener aus Beispiel 4 ist, dass man hier die Kanäle mit den ionischen Flüssigkeiten direkt in den Grundkörper des Photovoltaik-Moduls integriert und einen viel besseren Wärmeübergang gewährleistet. Die elektrische Energie, die aufgrund des thermoelektrischen Effektes in dem Modul erzeugt wird, addiert sich zu jener, die durch den photoelektrischen Effekt erhalten wird, was die Ausbeute des Moduls steigert. Ähnlich wie in Beispiel 4 gezeigt, kann auch dieser Aufbau auf der Unterseite mit einem Kühlelement versehen werden, welches ebenfalls auch Heat- Pipes beinhalten kann.