WO2003026109A2 - Power conversion method and device - Google Patents
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Definitions
- thermodynamic processes such as Stirling engines, trough power plants, TmTn power plants and some chemical (and thermochemical) processes have an essential practical importance.
- photovoltaics it is known a method for converting energy, called photovoltaics, in which the solar radiation or light energy can be converted into electrical energy by the absorption of photons in a semiconductor.
- the specified method enables generation of electrical energy in facilities that do not contain any mechanically movable components, no combustion of the fuels and no consumption of working materials (see, for example, A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch “Solar Energy: Photovoltaics", BG Teubner Stuttgart, 1997; HM Hubbard, P. Notari, S. Deb, S. Awerbach “Progress in Solar Energy Technologies and Applications", American Solar Energy Society, January 1994.)
- Photovoltaics are effective and superior to other methods when it comes to generating locally low power with low energy consumption in the form of sunlight (or light from other sources), e.g. the supply of calculators, parking ticket machines, and for very low outputs of some household appliances etc.
- thermophotovoltaic a method for converting the energy, called thermophotovoltaic, in which the infrared radiation in a semiconductor is converted into electrical energy.
- thermophotovoltaic need extremely high temperatures of the source (of at least lO 'OO degrees Celsius). This temperature is reached by burning fuels (usually propane is used in experimental generators). At the output there is an efficiency of about 5% of the energy of the incoming infrared radiation (in relation to the total energy applied, ie the energy released during the combustion of fuels, the efficiency is even lower). (SZb "Spectrum of Science", January 1999, p.86-91).
- thermal solar power erta This method is currently at a stage of experimental investigation. No data have yet been obtained that would guarantee the possibility of industrial use of this method.
- thermodynamic methods of converting solar and thermal energy are considered to be better developed methods with regard to practical applicability. waste heat energy, into electrical or other useful forms of energy.
- the methods for converting the energy are known, in which the solar radiation energy is converted into electrical energy in thermal solar power plants.
- the solar radiation energy is converted into the thermal energy of a working body, and this thermal energy is converted into mechanical energy using a heating machine.
- the energy obtained in this way is then converted into electrical energy by a mechanoelectric converter.
- the Stirling method is known to be the most acceptable, according to the current state of knowledge, methods of thermodynamic methods for mass consumption. This can mainly the technical solution offered and described here are opposed.
- a far more important parameter is the ratio of the output power of the solar energy converter to its dimensions (including the ratio N out / S, where N out - the output power, and S - the area occupied by the converter). This parameter is similar to efficiency, but not identical to it. As shown above, a converter with high efficiency can have an insignificantly low output.
- the invention specified in claims 1 to 7 for the method and in 17 to 19 for the device is based on the problem, the efficiency of the method and the ratio of the output power of the converter implementing the method in terms of its sizes and by the maximum utilization of the Sorrnen radiation energy (by frequency spectrum and intensity), thus also by minimizing the energy conversion intermediate losses and eliminating the need to convert the solar radiation energy into mechanical energy in the intermediate phase.
- This problem is solved by the features listed in claims 1 to 7 and 17 to 19.
- the advantages achieved by the invention are, in particular, that the possibility of generating the electrical energy is achieved with a high output power and a high efficiency in relation to the sizes of the converter. This will do so achieved that with the proposed construction principle of an energy conversion system, which is based on the physical basis of the already known system of the heat pipe (heat pipe), the energy of the gas flow of the working body of the heat pipe is converted directly into another type of energy, ultimately into electrical energy.
- the high speed of recording is, in particular, that the possibility of generating the electrical energy is achieved with a high output power and a high efficiency in relation to the sizes of the converter.
- the process is based on physical effects that occur during evaporation and condensation of a working fluid on porous structures.
- the devices that implement the proposed method are not forced to contain the mechanically movable components.
- the subject invention has a broader field of application compared to existing solar or thermal electrical converters. This is due to the fact that the method presented allows both low-power plants that can already use a small temperature gradient and also medium and high-power plants.
- S gr Sperim the surface area of the surface of that boundary between the working materials of the energy converter or between the working material of the energy converter and the material of the input energy feeder from which the energy enters the system
- S P erim the area of the surface of the geometric figure that limits the volume of the device in which the energy release process takes place.
- Carburetor internal combustion engine is very large, where the fuel used is previously atomized, which increases the total area of the surface of the simultaneously reacting substance. This gives a high output power (because a lot of energy in a short time
- the fuel is not atomized beforehand, its effectiveness drops rapidly, and a car, for example, which would be equipped with such an engine, could then not be driven.
- S gr is the area of the boundary between the working fluid of the heat pipe and the walls of the wicking cavities that this working fluid fills.
- the wick is an end part of the energy conversion system.
- the element of the energy supply system that contacts the working fluid has been made in the form of a separate construction element.
- the energy is not conducted into the material or into the capillary of the wick, but through separate elements of the construction, which are not identical to the wick, to the working fluid.
- S gr is the area of the boundary 'between the working fluid of the heat pipe and the developed surface of the material of the energy conversion system that contacts the working fluid, the wick not being an end part of the energy conversion system.
- S gr is the area of the boundary between the working liquid of the heat pipe and the working gas of the heat pipe.
- This area of the limit S gr can be significantly increased by appropriate construction of the wick, which forms a large contact area of the working liquid with the working gas in a small volume.
- the wick can have the shape of a spiral, for example.
- a further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 15.
- the development according to claim 15 enables the output power to be increased by increasing the temperature gradient between the evaporator and the condenser of the heat pipe.
- This principle can of course also be used for the supply of energy not only to the heat pipe converter, but also for the supply of any converter that is driven by solar radiation or radiation.
- a further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 16 for the method and in 29 to 30 for the device.
- the development according to claims 16, 29 and 30 enables the use of the method for utilizing the industrial waste heat contained in the flow of a certain gas or liquid.
- the evaporator of the heat pipe is placed in this stream and the condenser outside of this stream is in thermal contact with the coolant.
- the entire heat pipe energy converter is outside of the above. Electricity is placed, and the energy of this current is supplied to the evaporator of the heat pipe using a specific heat exchanger.
- a further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 31 and 32.
- the further development according to patent claims 31 and 32 enables a further conversion of the energy into a form that can be used in a traditional manner.
- a further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 33 to 40.
- the further development according to claims 33 to 40 enables the conversion of the thermal energy into the electrical energy in the facilities in which the mechanically moving parts are missing.
- the gas movement energy of the heat pipe first converted into the energy of acoustic vibrations, which is then converted into electrical energy.
- a further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 41 to 49.
- the further development according to patent claims 41 to 49 enables generation of electrical energy with the help of a heat pipe through the joint action of the acoustic vibrations and the energy of the solar radiation on the energy converter.
- claims 50 and 51 Another possible variant of the embodiment of the invention is specified in claims 50 and 51.
- the development according to claims 50 and 51 enables the conversion of the energy of the gas movement of the heat pipe into the electrical energy at low gas flow speeds.
- a further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 52.
- the development according to claim 52 makes it possible to simplify the energy supply by using a Fresnel lens or a Fresnei mirror.
- a further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 53 to 59.
- the further development according to patent claims 53 to 59 enables a direct conversion of the thermal energy of the gas of the heat pipe into the electrical energy according to the MHD generation principle.
- claims 60 to 65 Another variant of the embodiment of the invention is specified in claims 60 to 65.
- the development according to claims 60 to 65 enables generation of high electrical voltage by a direct conversion of the gas energy of the heat pipe into the electrical energy according to the electrostatic generation principle.
- a further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 66.
- the development according to claim 66 enables the energy of the gas of the heat pipe to be converted into electrical energy by the combination of the MHD generation principle and the electrostatic generation principle,
- a further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 67 and 68.
- the further training according to patent claims 67 and 68 enables: a) the application of the offered method in microsystem technology (in nanotechnology) for the energy supply or control of microscopic devices and systems, and b) the creation with nanotechnological methods (e.g. using the LIGA method) ) the microsystem energy converter for macroscopic general technical purposes, ie -for the operation of ordinary macroscopic devices.
- the proposed method is implemented in a system that includes a device that consists of at least 2 hermetic, hollow, communicating chambers, the inner surface of which is designed by the capillary structure.
- One of the chambers is called an evaporator, the other chamber is called a condenser.
- the heat or solar energy is conducted to the evaporator.
- the capillary structure is filled with a working fluid, the evaporation temperature (condensation temperature) is selected depending on the working conditions, i.e. of temperatures in which the evaporator and the condenser are located.
- the volume and pressure of the working body increase steeply in the evaporator as a result of its evaporation at the pore structure (capillary structure).
- a reverse process takes place in the capacitor. This means that in 2 neighboring chambers 2 explosive (implosions) and opposite signs in terms of their properties run continuously - a steep increase in volume and pressure of the working body (gas) and its steep decrease.
- the energy of this high-speed (including supersonic) gas flow can be effective, i.e. with relatively small losses, can be converted into other useful types of energy, including in electrical energy.
- various further developments of this method are explained in the present description, each further development being shown depending on the goals and the areas of application of the converter.
- the principle “S gr / S pe ri m » 1 ”(see above) is implemented, ie the energy is brought in to (from) the entire mass of the working body simultaneously, and not only to '- (from) the surface that limits the volume occupied by the work body, which gives the possibility 1) to significantly increase the performance of the device, and 2) to reduce the intermediate energy losses by shortening the absorption and further conversion time of the incoming energy by significantly lowering the working body.
- This radiation conductor can be of considerable length, and thus the energy converter can be placed in the immediate vicinity of the cooling coolant, where this coolant is at the minimum temperature.
- the cooling coolant For example in the ocean or deep sea water to a certain depth, or in groundwater. In the latter case, the radiation guide is placed in the borehole. This gives the possibility of increasing the temperature gradient between the evaporator and the condenser, and ultimately the efficiency and the output power of the device.
- Solar energy is introduced into the radiation conductor, e.g. from the sun-concentrating devices, e.g. from the Fresnel lens or from the Fresnel mirror; or with these two methods at the same time.
- thermal energy is supplied to the evaporator.
- the evaporator of the heat pipe is placed in this stream and the condenser outside of this stream is in thermal contact with the coolant. Or else it will. entire heat pipe energy converter outside of the above Electricity is placed, and the energy of this current is supplied to the evaporator of the heat pipe using a specific heat exchanger.
- the method can also be used in nanotechnology (in microsystem technology) for the energy supply or control of microscopic devices and systems, as well as for the creation with nanotechnological methods (e.g. by LIGA method) of microsystem energy converters, which consist of a large number of microscopic ones Modules exist, and for macroscopic general technical purposes, ie can be used to operate ordinary macroscopic devices.
- nanotechnological methods e.g. by LIGA method
- microsystem energy converters consist of a large number of microscopic ones Modules exist, and for macroscopic general technical purposes, ie can be used to operate ordinary macroscopic devices.
- Fig.l a picture of the general scheme of the implementation of the method (above - Fig a). For comparison, a diagram of the implementation of the method according to the Stirling method (FIG. 1.b) is touched down;
- thermo-photoelectric converter with conversion by the photoconductive piezo semiconductor
- 6 a a possible JBU vector diagram for a thermoelectric (gas flow electrical) drop converter with the conversion according to the MHD generation principle
- thermoelectric gas flow electrical
- FIG. A schematic image of the implementation of the method with the placement of the energy converter under the water or under the earth's surface in the groundwater (a); on the water surface without using the radiation guide (b); and in cosmic apparatus (c);
- the generator of electrical energy 1 is installed in the heat pipe 2 in such a way that the energy converter 3 for the gas flow of the heat pipe into other types of energy is arranged inside the heat pipe, for example at the location of the maximum flow velocity.
- the heat pipe 2 contains the evaporator 4, the condenser 5, the working body in the liquid phase 6, in the gaseous phase 7 and the circuit for the recovery of liquid 8.
- the liquid can be recovered in the circuit ' 8 by Capillary, gravitational, centrifugal or other types of forces or their combinations.
- thermosiphon is a special case of the heat pipe, 'in which takes place the recovery of the fluid by gravitational forces.
- the term “heat pipe” also includes the thermosiphon, including devices that contain, among other things, a few or more evaporators, condensers and transport teeth, all of which can have any shape (not just the cylindrical shape) and any size ,
- the feed 10 of the sun or. Thermal energy is generated directly or through energy supply system 20, ie through additional devices for concentration and. the transfer of solar or thermal energy (e.g. mirrors, lenses (including Fresnel mirrors or lenses 24), solar collectors, solar radiation guide 25 (including light guides), heat transport devices etc.) to the evaporator of the heat pipe.
- the energy is dissipated (by means of energy dissipation system 21) from the condenser either directly through the radiation, which can be effective in space, or through a coolant: the condenser can be placed in the coolant (e.g. water, external air, etc.) either immersed directly or connected to it by heat transfer devices.
- the coolant e.g. water, external air, etc.
- the solar radiation can also be fed directly to the capillary structure (the wick) of the heat pipe in the evaporator through the transparent jacket of the heat pipe or through a light conduction or other optical system, and in general if the external energy is in the form of radiation is supplied to the evaporator of the heat pipe, the jacket of the evaporator or the wick, or both of them can be made of a material transparent to this radiation, and the radiation energy in this case becomes the wick or the working fluid directly or through a optical radiation or conducting 'system supplied.
- Fig. 3 shows a variant of the energy conversion of the flow of the working gas 7 into the energy of the acoustic vibrations with the subsequent conversion into electrical energy with the aid of a piezoelectric converter i
- Fig. 4 shows a variant of the energy conversion of the flow of the working gas 7 into the energy of the acoustic vibrations - with the subsequent conversion into electrical energy with the aid of a magnetostrictic converter.
- the energy of the gas flow 7 of the heat pipe is converted into the energy of the acoustic vibrations with the help of the Hartmann generator 12, or with one of its modifications.
- you place the acoustoelectric transducer for. B. the piezoelectric transducer 13 or the magnetostrictic transducer 14.
- the electrical energy of the transducers mentioned is brought to the external stress of the consumer.
- acoustic vibrations including ultrasonic and acoustic vibrations, one can use any other generator of acoustic vibrations instead of the Hartmann generator, e.g. B. a pipe, a siren, a membrane or string generator, or a generator that uses the vibrations of the solid body in the gas flow, etc.
- Fig. 5 shows a variant of the energy conversion of the flow of the working gas 7 into the energy of the acoustic vibrations with the subsequent conversion into electrical energy with the aid of the piezo semiconductor converter 15, which has photoconductive properties, for. B. Cd S.
- the transducer 15 is placed in the inner space of the heat pipe in the zone of acoustic vibrations of the generator 12, analogously to the description for the transducer 13. However, the surface of the transducer 15 is placed under the transparent window 17 in the wall of the heat pipe. The sunlight 19 falls directly through this window or via an optical system onto the surface of the crystal 16. Under the action of the acoustic vibrations of the generator 12 in the piezo semiconductor 16, an acoustic EMF takes place, which strongly depends on the exposure in photoconductive crystals.
- Two independent currents of solar radiation can be directed onto the evaporator 4 of the heat pipe and onto the converter 15 '.
- the energy of the acoustic vibrations can be fed to the acoustoelectric transducer either directly in the gas flow channel of the heat pipe or through the sound conductor 18. In the latter case, one places the acoustoelectric transducer (or the photoacoustic transducer) outside the heat pipe.
- thermomechanoelectric converter in the implementation of the registered method is not excluded.
- the kinetic energy of the working gas of the heat pipe can be converted into mechanical rotational energy or into mechanical vibrations of a working body, which is then converted into electrical energy with the aid of a mechano-electrical converter.
- This working body e.g. a turbine
- the variant of the method implementation shown has the disadvantage with respect to all other variants that devices which enable this method must contain mechanically moving parts.
- Variants of the implementation of the method are described below, which are basically expedient for creating the medium and higher output powers. This is made possible on the basis of the energy conversion of the gas flow into electrical energy according to the MHD generation principle or according to the electrostatic generation principle.
- the electroconductive gas (plasma) or the electroconductive liquid in the MHD generators flows in a magnetic field and crosses its lines of force. This leads to the deflection of the charges with different signs in different directions, and thus to the separation of the electrical charges contained in the liquid (or in the gas). This in turn leads to the generation of electrical energy.
- the effectiveness of the magnetohydrodynamic generation is limited in that the achievement of the high electrical gas conductivity in the gas MHD generators is problematic; Liquids have a high electrical conductivity in the liquid MHD generators, but it is problematic to bring them to high flow rates.
- the working body turns out to be the mixture of the gas and the liquid phase, and the electric charges are deflected in the magnetic field together with the drops of the atomized liquid that contains them.
- the liquid is introduced into the gas stream, atomized, electrically charged with the drops and left together with the above-mentioned one.
- Gas flow in a magnetic field (or in crossed electric and magnetic fields) fly like in a normal MHD generator.
- the further work and energy consumption is carried out in the usual way for the MHD generators, that is either with the help of electrodes (MHD conduction generators), or by the decrease in the inducing currents (MHD induction generators).
- FIG. 6 a shows a possible vector diagram for a drop converter with the conversion according to the MHD generation principle.
- J flow of gas flow
- B magnetic flux density
- U electrical voltage
- This device contains at least one narrow tube, one end of which is in the gas stream and the other end is in the liquid, which has a free area. This free surface of the liquid borders with the gas that is either resting with respect to this liquid or moves opposite it at a lower speed than the speed of the gas flow with respect to the second tube end of the atomizer.
- the resulting pressure difference based on the Bemodli principle forces the liquid to rise in the tube and flow into the gas flow.
- the liquid in the heat pipe is recovered using a transport zone, which is created by a narrow and a wide section located one behind the other.
- the atomizer tube is inserted into the narrow section and the body for trapping charged drops into the wide section.
- the free surface of the liquid, which collects from the discrete droplet form into the continuous liquid form, comes into contact with the gas in the broad part of the stream.
- the powder instead of the drops of the liquid, the powder can also be used in all of the variants of carrying out the method mentioned. However, this is less convenient because of the problems with the organization of the recovery circuit.
- the process according to the electrostatic generation principle is carried out by using the liquid particles (atomized liquid) as one of the working bodies: charges are separated from the working bodies as in an ordinary electrostatic generator by stringing or bumping these working bodies together, or in which one charges the charges in the working bodies by means of electrostatic induction, after which the bodies charged in this way move away from one another in the room.
- the electrical voltage generated in the usual electrostatic generators e.g., in the Van de Graaff generator
- the output power of the known devices is so low because the speed of the charge transfer is limited by the speed of the movement of the mechanical system parts and by the area of the surface of the solid working body - the charge transporter.
- the liquid particles, for. B. emitted into the gas flow using an atomizer When realizing the method according to the claimed claims, the liquid particles, for. B. emitted into the gas flow using an atomizer.
- the above-mentioned liquid working body is electrically charged by the friction or collisions with another solid or liquid working body.
- the other working body In the first case (friction) the other working body is placed at the nozzle outlet of the atomizer.
- the other African ⁇ er, z. B. in the form of a row of rods or a network, placed in the gas flow in the path of the liquid particles.
- the separation of the charges of the working bodies and the removal of the charged liquid particles from the other working body takes place on the basis of the energy of the gas flow.
- the total area of the surfaces of the liquid particles is considerably larger than all the area of the surface of the fixed charge transporters (e.g. belts in ordinary electrostatic generators; b) The device lacks mechanically movable components which would limit the speed of charge transfer. This eliminates the two causes of the power limitation that exist in the existing electrostatic generators by the offered method and device.
- FIG. 7 shows a schematic image of the implementation of the method with the placement of the energy converter 26 under the water or under the surface of the earth in the ground water (a); on the water surface without using the radiation guide (b); and in cosmic apparatus (c);
- the increase in output power is achieved by increasing the temperature differential between the evaporator and the condenser of the heat pipe by having the converter 26, i.e. the condenser and the evaporator are placed in a location where the condenser is easy to cool (e.g. in deep ocean water or in underground water in a borehole), and solar energy 10, or radiation energy from another source, becomes the evaporator passed through a radiation conductor 25, which in this case is elongated.
- This principle can of course also be used not only for supplying the energy to the heat pipe converter, but also for supplying any solar or radiation-driven converter.
- the evaporator 4 of the heat pipe is placed in this stream 22, and the condenser 5 outside of this stream in thermal contact with the coolant 23. Or else, the entire heat pipe energy converter is outside the above. Electricity is placed, and the energy of this current is supplied to the evaporator of the heat pipe using a specific heat exchanger.
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Abstract
Description
Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung der Energie Method and device for converting energy
Es gibt eine Reihe verschiedener Nerfahren zur Umwandlung vom Solarenergie in elektrische Energie, die im wesentlichen folgende Grundlagen haben:There are a number of different methods for converting solar energy into electrical energy, which essentially have the following principles:
- Absorption von Photonenenergie des Sonnenlichts durch einen Halbleiter (Photovoltaik)- Absorption of photon energy from sunlight by a semiconductor (photovoltaic)
- Absorption der Energie von Infrarotphotonen, die von brennenden Körpern abstrahlen, z.B. von brennendem Propan (Thermophotovoltaik), durch einen Halbleiter sukzessive Umwandlung der Sonnenenergie in Wärmeenergie, anschließend in chemische und schließlich in elektrische EnergieAbsorption of the energy of infrared photons emitting from burning bodies, e.g. from burning propane (thermophotovoltaics), through a semiconductor, successive conversion of solar energy into thermal energy, then into chemical and finally into electrical energy
- Umwandlung der Sonnenenergie in die Energie des Wasserdampfes mit anschließender Umwandlung in elektrische Energie mit konventionellen Methoden- Conversion of solar energy into the energy of water vapor with subsequent conversion into electrical energy using conventional methods
- Umwandlung der Sonnenenergie in die Wärmeenergie eines Gases mit anschließender Umwandlung in elektrische Energie anhand eines Stirlingmotors- Conversion of solar energy into the thermal energy of a gas with subsequent conversion into electrical energy using a Stirling engine
- Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie in großen Behältern mit Salzwasser auf der Grundlage des Effekts, daß die Wärmeenergie der Sonnenstrahlung in den tiefen Schichten der Salzlösungen (wird gewöhnlich gleichzeitig mit der Entsalzung benutzt) gespeichert wird- Conversion of solar energy into electrical energy in large salt water tanks based on the effect that the heat energy of solar radiation is stored in the deep layers of saline solutions (usually used at the same time as desalination)
- Biologische Nerfahren (Solarfarmen): Umwandlung der Sonnenenergie in die Energie der chemischen Verbindungen in lebenden Pflanzen durch die Photosynthese mit anschließender Verarbeitung und Verbrennung der entstehenden Stoffe mit dem Ziel der Energiegewinnung- Biological ner driving (solar farms): conversion of solar energy into the energy of chemical compounds in living plants through photosynthesis with subsequent processing and combustion of the resulting substances with the aim of energy production
In der Realität haben von diesen Methoden eine wesentliche praktische Bedeutung die Photovoltaik, einige thermodynamische Verfahren, wie Stirling-Motoren, Rinnen-Kraftwerke, TmTnkraftwerke und einige chemische (und thermochemische) Verfahren.In reality, of these methods, photovoltaics, some thermodynamic processes such as Stirling engines, trough power plants, TmTn power plants and some chemical (and thermochemical) processes have an essential practical importance.
All diese Verfahren haben ihre Stärken und Schwächen, wie auch bestimmte Bereiche ihrer effektiven Anwendung und die Grenzen der Anwendbarkeit, insbesondere: PhotovoltaikAll of these methods have their strengths and weaknesses, as well as certain areas of their effective application and the limits of applicability, in particular: photovoltaics
Es ist bekannt ein Verfahren zur Umwandlung der Energie, genannt Photovoltaik, bei dem die Sonnenstrahlungs- oder Lichtenergie in elektrische Energie durch die Absorption von Photonen in einem Halbleiter umgewandelt werden kann. Das angegebene Verfahren ermöglicht Erzeugung von elektrischer Energie in Einrichtungen, die keine mechanisch bewegliche Bauteile enthalten, keine Verbrennung der Treibstoffe sowie kein Verbrauch von Arbeitsmaterial aufweisen, (s. z.B. A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch "Sonnenenergie: Photovoltaik", B.G. Teubner Stuttgart, 1997; H.M. Hubbard, P. Notari, S. Deb, S. Awerbach "Progress in Solar Energy Technologies and Applications", American Solar Energy Society, January 1994.)It is known a method for converting energy, called photovoltaics, in which the solar radiation or light energy can be converted into electrical energy by the absorption of photons in a semiconductor. The specified method enables generation of electrical energy in facilities that do not contain any mechanically movable components, no combustion of the fuels and no consumption of working materials (see, for example, A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch "Solar Energy: Photovoltaics", BG Teubner Stuttgart, 1997; HM Hubbard, P. Notari, S. Deb, S. Awerbach "Progress in Solar Energy Technologies and Applications", American Solar Energy Society, January 1994.)
Photovoltaik ist effektiv und anderen Methoden überlegen, wenn es um die Erzeugung lokal kleiner Leistungen bei geringer Energiezufuhr in Form von Sonnenlicht (oder Licht aus anderen Quellen) geht, wie z.B. die Versorgung von Taschenrechnern, Parkscheinautomaten, und für sehr geringe Leistungen einiger Haushaltsgeräte etc.Photovoltaics are effective and superior to other methods when it comes to generating locally low power with low energy consumption in the form of sunlight (or light from other sources), e.g. the supply of calculators, parking ticket machines, and for very low outputs of some household appliances etc.
Diese Methode ist aber uneffektiv für die Erzeugung großer Leistungen (z.B. Kraftwerke) aufgrund des' physikalischen Prinzips, weil ausschließlich ein sehr enger Frequenzbereich des Lichtes genutzt wird, der zur Freisetzung von Elektronen im Halbleiter fuhrt. Der gesamte restliche Teil der 'Sonnenenergie, ca. 95%, wird nicht genutzt.However, this method is ineffective for the generation of large powers (eg power plants) due to the ' physical principle, because only a very narrow frequency range of light is used, which leads to the release of electrons in the semiconductor. The entire remaining part of the 'solar energy, about 95%, is not used.
Damit die Nachteile des o. g. Verfahrens sind ein relativ niedriger Wirkungsgrad und die hohen Kosten, sowie große Ausmaßen der Einrichtung im Vergleich zu der erbringenden Leistung. Außerdem gibt es eine physikalische Grenze des Wirkungsgrades, die auf keinen Fall überschritten werden kann, da Einrichtungen die dieses Verfahren ermöglichen, nur die Energie der in dem Halbleitermaterial absorbierten Photonen in die elektrische Energie umwandeln, d. h. einen schmalen Teil des Spektrums vom ganzen Bereich der Sonnenstrahlung. Es gibt auch eine physikalische Grenze der Intensität der einfallenden Strahlung, die gebraucht werden kann, da die elektrische Ausgangsleistung trotz der Überschreituαg eines bestimmten Intensitätsniveaus nicht mehr steigen wird. Außerdem besteht eine Reihe von Unbequemlichkeiten, die mit der Notwendigkeit verbunden sind, große, wertvolle Arbeitsflächen, auf die das Sonnenlicht direkt und widerstandslos einfallen soll, vor Schmutz und mechanischen Schäden ständig zu bewahren.So that the disadvantages of the above. Procedures are a relatively low efficiency and the high costs, as well as large dimensions of the facility in comparison to the service provided. In addition, there is a physical efficiency limit, which cannot be exceeded under any circumstances, since devices that enable this method convert only the energy of the photons absorbed in the semiconductor material into electrical energy, i. H. a narrow part of the spectrum from the whole area of solar radiation. There is also a physical limit on the intensity of the incident radiation that can be used since the electrical output power will not increase despite exceeding a certain intensity level. There are also a number of inconveniences associated with the need to constantly keep large, valuable work surfaces, on which sunlight should be incident directly and without resistance, from dirt and mechanical damage.
Für die Nutzbarmachung der industriellen Abwärme sind die photovo Itaischen Methoden selbstverständlich nicht anwendbar.The photovo Itaic methods are of course not applicable for the utilization of industrial waste heat.
Thermophotovoltaikthermophotovoltaics
Es ist bekannt ein Verfahren zur Umwandlung der Energie, genannt Thermophotovoltaik, bei dem die Inf arotstrahlung in einem Halbleiter in Elektrische Energie umgewandelt wird. Dieser Forschungsrichtung wird sehr viel Aufmerksamkeit geschenkt, und in diese Richtung werden beträchtliche Mitteln investiert, obwohl sie derzeit noch keine industrielle Anwendung finden kann. Dies geschieht nicht nur wegen der Perspektive den Sonnenstrahlungsband weit effektiver zu nutzen (d.h. nicht nur den sichtbaren, sondern auch den infraroten Teil des Sonnenstrahlungsbandes). Als die Hauptnutzungsperspektive könnte diese Methode die Möglichkeit der Utilisierung der indμstriellen Abwärme geben. Diese Anwendung ist nicht minder, sondern vielleicht weit wichtiger als die Sonnenenergienutzung, denn zurzeit wird in Form von industrieller Abwärme mindestens 30-40% der gesamten produzierten Enprgie verloren, und diese Energieverluste wirken dazu noch als thermische Verschmutzer. Zur gegenwärtigen Zeit, d.h. auf der derzeitigen Etappe der Entwicklung, brauchen jedoch die thermophotovoltaische Verfahren extrem hohe Temperaturen der Quelle (von mindestens lO'OO Grad Celsius). Diese Temperatur wird durch die Verbrennung von Brennstoffen erreicht (in der Regel wird in experimentellen Generatoren Propan benutzt). Am Ausgang wird Wirkungsgrad von etwa 5% der Energie der eintretenden Infrarotstrahlung (in Bezug auf die gesamte aufgebrachte Energie, d.h. die bei der Verbrennung von Brennstoffen freigesetzt wurde, ist der Wirkungsgrad noch niedriger). (S. Z.b. „Spektrum der Wissenschaft", Januar 1999, s.86-91).It is known a method for converting the energy, called thermophotovoltaic, in which the infrared radiation in a semiconductor is converted into electrical energy. A great deal of attention is being paid to this area of research, and considerable funds are being invested in this direction, although it cannot yet be used industrially. This happens not only because of the perspective of using the solar radiation band far more effectively (ie not only the visible but also the infrared part of the solar radiation band). As the main perspective of use, this method could give the possibility of utilizing industrial waste heat. This application is no less, but perhaps far more important than the use of solar energy, because at least 30-40% of the total energy produced is currently lost in the form of industrial waste heat, and these energy losses also act as thermal polluters. At the present time, that is, on the current stage of development, but the process thermophotovoltaic need extremely high temperatures of the source (of at least lO 'OO degrees Celsius). This temperature is reached by burning fuels (usually propane is used in experimental generators). At the output there is an efficiency of about 5% of the energy of the incoming infrared radiation (in relation to the total energy applied, ie the energy released during the combustion of fuels, the efficiency is even lower). (SZb "Spectrum of Science", January 1999, p.86-91).
Damit befindet sich diese Methode zur Zeit in einem Stadium der experimentellen Untersuchung. Dabei sjnd noch keine Daten gewonnen worden, die die Möglichkeit der industriellen Nutzung dieses Verfahrens garantieren würden. thermischen Solarkraft ertaThis method is currently at a stage of experimental investigation. No data have yet been obtained that would guarantee the possibility of industrial use of this method. thermal solar power erta
Als besser entwickelte Methoden in Bezug auf praktische Anwendbarkeit gelten die thermodynamischen Verfahren der Umwandlung von Sonnen- und thermischer Energie, u.a. der Abwärrneenergie, in elektrische bzw. andere nützliche Energieformen.The thermodynamic methods of converting solar and thermal energy, among others, are considered to be better developed methods with regard to practical applicability. waste heat energy, into electrical or other useful forms of energy.
Es sind bekannt die Verfahren zur Umwandlung der Energie, bei der die Sonnenstrahlungsenergie in thermischen Solarkraftwerken in die elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei wird die Sonnenstrahlungsenergie in die Wärmeenergie eines Arbeitskörpers, und diese Wärmeenergie anhand einer Wärmemaschine in die mechanische Energie umgewandelt. Die auf diese Weise gewonnene Energie wird dann durch einen mechanoelektrischen Umwandler in die elektrische Energie umgewandelt. (S. Z.b. Zeitschrift "Spektrum der Wissenschaft", Dossier 5 "Klima und 'Energie", 1999, S. 100-103. ; A. Wokaun, „Erneuerbare Energien", B.G. Teubner Stuttgart-Leipzig, 1999; VDI-Lexikon Energietechnik, Düsseldorf: VDI- Verlag, 1994, hrsg. v. H.Schaefer.)The methods for converting the energy are known, in which the solar radiation energy is converted into electrical energy in thermal solar power plants. The solar radiation energy is converted into the thermal energy of a working body, and this thermal energy is converted into mechanical energy using a heating machine. The energy obtained in this way is then converted into electrical energy by a mechanoelectric converter. (SZb magazine "Spectrum of Science", Dossier 5 "Climate and Energy", 1999, pp. 100-103.; A. Wokaun, "Renewable Energies", BG Teubner Stuttgart-Leipzig, 1999; VDI Lexicon Energy Technology, Düsseldorf : VDI-Verlag, 1994, published by H. Schaefer.)
Die gemeinsame Nachteile dieser Verfahren sind die großen Energieverluste, so wie auch die Notwendigkeit die Sonnenstrahlungsenergie oder die Wärmeenergie zunächst in die mechanische Energie umzuwandeln, was den Wirkungsgrad erniedrigt und das Vorhandensein der mechanisch bewegten Bauteile in den Einrichtungen voraussetzt, durch die dieses Verfahren realisiert wird.The common disadvantages of these methods are the large energy losses, as well as the need to first convert the solar radiation energy or the thermal energy into mechanical energy, which lowers the efficiency and presupposes the presence of the mechanically moved components in the devices by which this method is implemented.
Turπikraftwer e und RmneπkraftwerkeTurπikraftwer e and Rmneπkraftwerke
Darüber hinaus die Turmkraftwerke und die Rinnenkraftwerke haben folgende Nachteile, die die Grenzen ihrer Anwendung bestimmen: Erstens, sehr große (schon konstruktionsbedingte)In addition, the tower power plants and the channel power plants have the following disadvantages, which determine the limits of their application: First, very large (already design-related)
Zwischenverluste bei der Streuung.Intermediate losses in the spread.
Zweitens, wiederum schon konstruktionsbedingte, sehr große Abmessungen der Anlagen und eine große Gesamtfläche, die von solcher Anlage eingenommen wird. Anders ausgedrückt, man kann sie effektiv nur in Wüstengebieten mit andauernd starker Sonneneinstrahlung vom wolkenlosen Himmel nutzen, wobei das genutzte Areal nur vom geringen Wert sein darf, um ein kleines Wohngebiet oder ein kleines Industrieobjekt durch ein flächenmäßig großesSecondly, again due to the design, very large dimensions of the systems and a large total area that is occupied by such systems. In other words, they can only be used effectively in desert areas with continuously strong sunshine from a cloudless sky, whereby the area used may only be of little value, around a small residential area or a small industrial property due to a large area
Kraftwerk zu versorgen.To supply power plant.
Die kleinen lokalen Einrichtungen sind konstruktionsbedingt nicht möglich.The small local facilities are not possible due to the design.
Stirhπg - VerfahrenStirhπg process
Als am ehesten akzeptable, nach heutige Wissenstand, Verfahren von thermodynamischen Methoden für den Massenverbrauch, ist das Stirling - Verfahren bekannt. Diesem kann hauptsächlich die hier angebotene und beschriebene technische Lösung entgegengestellt werden.The Stirling method is known to be the most acceptable, according to the current state of knowledge, methods of thermodynamic methods for mass consumption. This can mainly the technical solution offered and described here are opposed.
Das bereits existierende Stirling- Verfahren:The existing Stirling process:
Erlaubt in wesentlichen die Konstruktion von kleinen, jedoch auch von mittelgroßenAllows the construction of small, but also medium-sized ones
Energieumwandlern. (Im Vergleich dazu , die Turmkrafverke und die Rinnenkraftverke ausschließlich als große Anlägen existieren können; und auf der anderen Seite, erlaubt das in dieser . Beschreibung vorgeschlagene Verfahren die Konstruktion des gesamtenEnergy converters. (In comparison, the Turmkrafverke and the Rinnenkraftverke can only exist as large systems; and on the other hand, the method proposed in this description allows the construction of the whole
„Spektrums" der Energieumwandler: sowohl Anlagen niedriger Leistung, die schon ein geringes Temperaturgefälle nutzen können, als auch Anlagen mittlerer und höherer Leistung)."Spectrum" of energy converters: both low-power systems that can use a small temperature gradient and medium and high-power systems).
Das Stirling- Verfahren hat folgende Vorteile, die es heute zu dem meist akzeptierten Energieumwandlungsverfahren in der Sonnenenergetik machen:The Stirling process has the following advantages that make it the most widely accepted energy conversion process in solar power today:
• Das Stirling- Verfahren erlaubt die Nutzung schon kleiner Temperaturdifferenzen (Es gibt Demonstrationsmotoren, die anhand von Temperaturdifferenzen zwischen menschlichen Händen und der Umgebungsluft arbeiten)• The Stirling process allows the use of even small temperature differences (there are demonstration engines that work on the basis of temperature differences between human hands and the ambient air)
• Es besitzt theoretisch einen hohen Wirkungsgrad für die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie.• It theoretically has a high efficiency for converting thermal energy into mechanical energy.
In der Praxis jedoch treten zusätzlich Verluste auf bei der Umwandlung in elektrische Energie. Darüber hinaus finden die Arbeitsvorgänge wegen der notwendigen Kompression und Expansion des Arbeitsgases nur relativ langsam statt, was weitere Verluste mit sich bringt.In practice, however, additional losses occur when converting to electrical energy. In addition, because of the necessary compression and expansion of the working gas, the work processes take place relatively slowly, which entails further losses.
Hier sollten die entscheidenden Nachteile etwas detaillierter beschreiben werden, weil diese in der Fachliteratur über das Stirlingverfahren nicht unmittelbar ersichtlich hervorgehoben werden, und es bleibt unklar, warum so ein gutes Verfahren nicht alle übrigen Methoden in der Praxis verdrängt:The decisive disadvantages should be described here in a little more detail, because these are not immediately highlighted in the specialist literature about the Stirling process, and it remains unclear why such a good process does not replace all other methods in practice:
Erstens, schon in der Konstruktion ist eine erheblich geringe'Ausgangsleistung verborgen, da den Arbeitsvorgängen nur langsame Prozesse der Wärmedehnung und die Gaskompression mit einer Temperatur, die weit höher des Siedepunktes liegt, zugrunde liegen.First, there is already a very low output power hidden in the design, since the work processes are based on slow processes of thermal expansion and gas compression at a temperature that is far higher than the boiling point.
Zweitens, bezüglich des Wirkungsgrades: in den Beschreibungen gibt es normalerweise 3 folgende Missverständnisse, die in der Regel nicht beachtet werden.Second, regarding efficiency: there are usually 3 misunderstandings in the descriptions, which are usually ignored.
1. Der Wirkungsgrad (WG) ist, bekanntlich, ein Verhältnis von Nutzarbeit Ap zu der verbrauchten Arbeit AVer: WG = Ap/Aver. Oder auch das Verhältnis von Nutzleistung Np zu der verbrauchten Leistung Nver: WG = Np Nver. Anders ausgedrückt, WG = Ap/Aver = Ap x t / Averx t = Np/Nver, wobei t die Zeit ist. D.h. die Zeit t verringert sich, und das Wirkungsgrad der Anlage hängt bei dieser Berechnung nicht davon ab, in welcher Zeit diese Arbeit erfolgt war. Damit kann bei dieser Berechnung ein sehr hoher Wirkungsgrad auch bei Geräten, die eine unbedeutend kleine (d.h. praktisch nutzlose) Leistung besitzen, entstehen.1. The efficiency (WG) is, as is well known, a ratio of useful work Ap to the used work AVer: WG = Ap / Aver. Or the ratio of useful power Np to the power used Nver: WG = Np Nver. In other words, WG = Ap / Aver = Ap x t / Averx t = Np / Nver, where t is time. That the time t is reduced and the efficiency of the system does not depend on the time in which this work was carried out. This calculation can result in a very high degree of efficiency even for devices that have an insignificantly small (i.e. practically useless) output.
2. Wenn geschrieben wird, dass der Wirkungsgrad des Stirling-Motors 50% erreichen kann, so geht es dabei erstens, um den Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärmeenergie eines Erhitzers in mechanische Energie des Stirling-Motors, und es werden dabei die weiteren Verluste für die Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie nicht berücksichtigt. Zweitens, dabei wird folgende hypothetische Situation angenommen: Stirling-Motor bekommt seine Energie von einem thermoisolierten Erhitzer mit einer unendlichen Wärmekapazität, und gibt sie an einen gleichen Kühler weiter. In der Realität ist es aber nicht so. Wenn die Energie von der Sonne kommt, so erfolgt gleichzeitig ihre Rückstreuung in den Raum; Wenn von einer äußeren Wärmequelle, so „wartet" die Wärmeenergie in der Kontaktzone mit den Kolben des Stirling-Motors nicht, solange bis das Arbeitsgas des Stirling-Motors bei seiner langsamen Dehnung diese Energie aufnimmt, und wird ebenfalls durch Rückstrahlung, Wärmeleitung und Konvektion verstrahlt. Damit sind die tatsächlichen Verluste um so mehr, und der tatsächliche Wirkungsgrad um so kleiner, je länger der Prozess dauert, und damit je kleiner die Ausgangsleistung des Energieumwandlers ist. Deshalb ist der reale Wirkungsgrad des Stirlingmotors in Wirklichkeit nicht groß.2. When it is written that the efficiency of the Stirling engine can reach 50%, it is firstly about the efficiency of the conversion of thermal energy of a heater into mechanical energy of the Stirling engine, and there are further losses for the Conversion of mechanical into electrical energy not taken into account. Secondly, the following hypothetical situation is assumed: Stirling engine gets its energy from a thermally insulated heater with an infinite heat capacity, and passes it on to the same radiator. In reality it is not so. If the energy comes from the sun, it is scattered back into the Room; If from an external heat source, the thermal energy does not "wait" in the contact zone with the pistons of the Stirling engine until the working gas of the Stirling engine absorbs this energy during its slow expansion, and is also emitted by reflection, heat conduction and convection The actual losses are all the more and the actual efficiency the lower the longer the process takes, and therefore the lower the output power of the energy converter, so the real efficiency of the Stirling engine is in reality not great.
3. Damit das Diagrammbild, das die Arbeit des Sonnenbetriebenen Stirling-Motors beschreibt, nicht wesentlich vom idealen Diagramm des Carnot-Zyklus (Carnot-Prozeß) abweicht und der Stirling-Motor einen hohen Wirkungsgrad hat, muss dieser langsam arbeiten. Langsame Arbeit bedeutet niedrige Ausgangsleistung. Damit ist die Forderung nach einem hohen Wirkungsgrad und nach einer großen Ausgangsleistung physikalisch für den Stirlingmotor unvereinbar und sind gegensätzliche Forderungen zu seiner konstruktive Ausführung.3. So that the diagram that describes the work of the sun-powered Stirling engine does not deviate significantly from the ideal diagram of the Carnot cycle (Carnot process) and the Stirling engine has a high efficiency, it must work slowly. Slow work means low output. The requirement for a high degree of efficiency and for a high output power is physically incompatible for the Stirling engine and are contrary requirements for its design.
Hier sollte man auch eine allgemeine Anmerkung bezüglich jener Parameter machen, die überhaupt die Arbeitseffektivität der Sonnenenergieumwandler charakterisieren. Sonnenenergie in Form von Sonnenstrahlung ist „unentgeltlich". Es gibt keine Aufwendungen für die Gewinnung, die Verarbeitung oder für den Transport dieser Energie. Ihr nicht-genutzter Teil wandelt sich nicht in schädliche Schadstoffe, die in die Umwelt gelangen; im Gegenteil, der genutzte Teil dieser Energie wird aus dem natürlichen Kreislauf des Energieumlaufs entnommen. Deshalb ist in der Tat der Wirkungsgrad an sich nicht der Hauptparameter, der den Sonnenenergieumwandler charakterisiert, und es ist nicht der Selbstzweck, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.Here, one should also make a general remark regarding the parameters that characterize the working effectiveness of solar energy converters. Solar energy in the form of solar radiation is "free of charge". There is no expenditure for the extraction, processing or transportation of this energy. Its unused part does not turn into harmful pollutants that get into the environment; on the contrary, the used one Part of this energy is drawn from the natural cycle of energy circulation, so efficiency is not in itself the main parameter that characterizes the solar energy converter, and it is not an end in itself to achieve the highest possible efficiency.
Ein weit wichtigerer Parameter ist das Verhältnis der Ausgangsleistung des Sonnenenergieumwandlers zu seinen Ausmaßen (u.a. das Verhältnis Naus /S, wo Naus - die Ausgangsleistung, und S - die vom Umwandler eingenommene Fläche sind). Dieser Parameter ist ähnlich dem Wirkungsgrad, aber nicht mit ihm identisch. Wie oben gezeigt wurde, kann ein Umwandler mit einem hohen Wirkungsgrad eine unbedeutend kleine Ausgangsleistung haben.A far more important parameter is the ratio of the output power of the solar energy converter to its dimensions (including the ratio N out / S, where N out - the output power, and S - the area occupied by the converter). This parameter is similar to efficiency, but not identical to it. As shown above, a converter with high efficiency can have an insignificantly low output.
Aus diesen Gründen, einer in Wirklichkeit relativ geringen Leistung und eines geringen Wirkungsgrades, erlangt das Stirling- Verfahren bisher keine breite allgemeine praktische Anwendung.For these reasons, a relatively low performance and a low efficiency in reality, the Stirling process has not yet been widely used in practice.
Patentansprüchen Ibis 7 und 17 bis 19 Ibis 7„ 17 bis 19Claims 7 and 17 to 19 Ibis 7 “17 to 19
Der in den Patentansprüchen 1 bis 7 für das Verfahren und in 17 bis 19 für die Einrichtung ,angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Wirkungsgrad des Verfahrens und das Verhältnis der Ausgangsleistung des das Verfahren realisierenden Konverters bezüglich seiner Größen wie durch die maximale Ausnutzung der Sorrnenstrahlungsenergie (nach Frequenzspektrum und Intensität), so auch durch die Minimierung der Energieumwandlungszwischenverluste und Ausschließung der Notwendigkeit der Umwandlung der Sonnenstrahlungsenergie in die mechanische Energie in der Zwischenphase, zu erhöhen. Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 bis 7 und 17 bis 19 aufgeführten Merkmale gelöst.The invention specified in claims 1 to 7 for the method and in 17 to 19 for the device is based on the problem, the efficiency of the method and the ratio of the output power of the converter implementing the method in terms of its sizes and by the maximum utilization of the Sorrnen radiation energy (by frequency spectrum and intensity), thus also by minimizing the energy conversion intermediate losses and eliminating the need to convert the solar radiation energy into mechanical energy in the intermediate phase. This problem is solved by the features listed in claims 1 to 7 and 17 to 19.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Möglichkeit der Erzeugung der elektrischen Energie bei einer hohen Ausgangsleistung und einem hohen Wirkungsgrad im Verhältnis zu den Größen des Konverters erreicht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß mit dem vorgeschlagenen Bauprinzip eines Energieumwandlungssystems, welches auf der physikalischen Grundlage des bereits bekannten Systems des Wärmerohres (Heat Pipe) basiert, die Energie der Gasströmung des Arbeitskörpers des Wärmerohres ummittelbar in eine andere Energieart, letztlich in die elektrische Energie, umgewandelt wird. Die hohe Geschwindigkeit der Aufnahme . und der Umwandlung der Energie durch den Arbeitskörper, und damit minimale Energiezwischenverluste, eine höhere Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad bei gleicher Temperaturdifferenz werden dadurch erreicht, dass statt eines langsamen Prozesses der Wärmeausdehnung und -kompression eines Gases dem Verfahren physikalische Effekte zugrunde liegen, die beim Verdampfen und dem Kondensieren einer Arbeitsflüssigkeit auf porösen Strukturen entstehen. Dazu die Einrichtungen, die das vorgeschlagene Verfahren realisieren, sind nicht gezwungen die mechanisch beweglichen Bauteile zu enthalten. Außerdem weist die betreffende Erfindung einen breiteren Anwendungsbereich im Vergleich zu existierenden solar- oder wärmeelektrischen Wandlern auf. Dies ist dadurch begründet, daß das vorgestellte Verfahren sowohl Anlagen niedriger Leistung, die schon ein geringes Temperaturgefälle nutzen können, als auch Anlagen mittlerer und höherer Leistungen zuläßt.The advantages achieved by the invention are, in particular, that the possibility of generating the electrical energy is achieved with a high output power and a high efficiency in relation to the sizes of the converter. This will do so achieved that with the proposed construction principle of an energy conversion system, which is based on the physical basis of the already known system of the heat pipe (heat pipe), the energy of the gas flow of the working body of the heat pipe is converted directly into another type of energy, ultimately into electrical energy. The high speed of recording. and the conversion of the energy by the working body, and thus minimal intermediate energy losses, a higher output power and the efficiency at the same temperature difference are achieved in that instead of a slow process of thermal expansion and compression of a gas, the process is based on physical effects that occur during evaporation and condensation of a working fluid on porous structures. For this purpose, the devices that implement the proposed method are not forced to contain the mechanically movable components. In addition, the subject invention has a broader field of application compared to existing solar or thermal electrical converters. This is due to the fact that the method presented allows both low-power plants that can already use a small temperature gradient and also medium and high-power plants.
8.. 08 .. 0
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 8 für das Verfahren und in 20 für die Einrichtung angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 8 und 20 ermöglicht die Vergrößerung des Druckgefalles zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator und damit die Vergrößerung der Leistung des Flusses (Stroms) des Arbeitsgases aus dem Verdampfer in den Kondensator, und auch die Vergrößerung der Effektivität von Überführung der rückgewonnenen Arbeitsflüssigkeit durch die Transportzone anhand der Anwendung von verschiedenen Dochtaufsätzen, bzw. deren Fragmente, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften voneinander unterscheiden, in verschiedenen Arbeitszonen des Wärmerohres.An advantageous embodiment of the invention is specified in claims 8 for the method and in 20 for the device. The further development according to patent claims 8 and 20 enables the pressure drop between the evaporator and the condenser to be increased and thus the power flow (flow) of the working gas from the evaporator to the condenser to be increased, and the effectiveness of transferring the recovered working liquid to be increased through the transport zone using different wick attachments or their fragments, which differ from each other in their physical properties, in different working zones of the heat pipe.
9 bis _4....~Zlbis 289 to _4 .... ~ Zlbis 28
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 9 bis 14 für das Verfahren und in' 21 bis 28 für die Einrichtung angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 9 bis 14 und 21 bis 28 ermöglicht die Erhöhung des Wirkungsgrades und der Ausgangsleistung des Energieumwandlers durch die Verminderung der Energiezwischenverluste und die Verkürzung der Absorptionszeit der eintretenden (input) Energie durch Arbeitsflüssigkeit des Umwandlers durch die unrnittelbare Zuleitung der eintretenden Energie in die Kanäle (Kapillare) des Dochtes bzw. in die Materialien des Dochtes, bzw. in die o.g. Kanäle und in die o.g. Materialien gleichzeitig, und damit wird die unmittelbare Zuleitung der eintretenden Energie in die Arbeitsflüssigkeit gleichzeitig von der großen Fläche der Flüssigkeitsoberfläche erzielt.An advantageous embodiment of the invention is given in claims 9 to 14 for the method and in '21 to 28 for the device. The further development according to patent claims 9 to 14 and 21 to 28 enables the efficiency and the output power of the energy converter to be increased by reducing the intermediate energy losses and shortening the absorption time of the input (input) energy by the working fluid of the converter by the direct supply of the energy entering the channels (capillary) of the wick or in the materials of the wick, or in the above Channels and in the above Materials at the same time, and thus the direct supply of the energy entering the working fluid is achieved simultaneously from the large surface of the fluid surface.
Dabei geht auch der Teil der Energie nicht verloren, der von der Arbeitsflüssigkeit an einem bestimmten Abschnitt der Grenze „Arbeitsflüssigkeit - Material des Dochtes" nicht absorbiert wurde, sondern breitet sich weiter durch das Material des Dochtes aus, und wird von der Arbeitsflüssigkeϊt am anderen Abschnitt deren Grenze mit dem Material des Dochtes absorbiert.The part of the energy that was not absorbed by the working liquid at a certain section of the “working liquid - material of the wick” boundary is not lost, but spreads further through the material of the wick, and becomes from the working liquid on the other section whose border is absorbed with the material of the wick.
Für die Beschreibung ist es bequemer die Parameter Sgr Sperim eirrzuführen, wo Sgr - die Fläche der Oberfläche jener Grenze zwischen den Arbeitsstoffen des Energieumwandlers bzw. zwischen dem Arbeitsstoff des Energieumwandlers und dem Material des Eingangsenergiezuleiters ist, von welcher die Energie in das System hineinkommt, und SPerim - die Fläche der Oberfläche der geometrischen Figur, die das Volumen der Einrichtung begrenzt, in welchem der Energiefreisetzungsprozess stattfindet. Beispiele:For the description it is more convenient to enter the parameters S gr Sperim where S gr - the surface area of the surface of that boundary between the working materials of the energy converter or between the working material of the energy converter and the material of the input energy feeder from which the energy enters the system , and S P erim - the area of the surface of the geometric figure that limits the volume of the device in which the energy release process takes place. Examples:
Man sollte anmerken, dass der Wert dieses Parameters in einem gewöhnlichen Diesel- bzw.It should be noted that the value of this parameter in an ordinary diesel or
Vergaser- Verbrennungsmotor sehr groß ist, wo die genutzten Brennstoffe zuvor zerstäubt wird, wodurch die Summenfläche der Oberfläche des gleichzeitig reagierenden Stoffes vergrößert wird. Damit erzielt man eine hohe Ausgangsleistung (da viel Energie in kurzerCarburetor internal combustion engine is very large, where the fuel used is previously atomized, which increases the total area of the surface of the simultaneously reacting substance. This gives a high output power (because a lot of energy in a short time
Zeit freigesetzt wird) und einen hohen Wirkungsgrad der Umwandlung dieser Energie in nützliche Arbeit (da die schnell freigesetzte und die schnell „nützlichabgezogene" Energie schafft es nicht in dieser kurzen Zeit sich nach Außen nutzlos zu zerstreuen). Wenn imTime is released) and a high efficiency of the conversion of this energy into useful work (since the quickly released and the quickly "useful" energy does not manage to dissipate uselessly outside in this short time)
Verbrennungsmotor der Brennstoff zuvor nicht zerstäubt wird, fällt seine Effektivität rapide ab, und ein Auto z.B., das mit einem solchen Motor versehen wäre, könnte man dann nicht fahren.Combustion engine, the fuel is not atomized beforehand, its effectiveness drops rapidly, and a car, for example, which would be equipped with such an engine, could then not be driven.
Praktisch das gleiche Prinzip der Sicherstellung von hohem Wert des Parameters Sgr/Sperim wird in Artilleriegeschossen und in Schusspatronen eingesetzt, wo in einem kleinen Volumen eine große „Fläche der gleichzeitigen Reaktion" derPractically the same principle of ensuring gr of high value of the parameter S / Sp e ri m is used in artillery shells and in Ammunition where in a small volume of a large "surface of the simultaneous reaction" of the
Reaktionsstoffe - der Energiequellen - das Schießpulver und das den Sauerstoff enthaltendeReactive substances - the energy sources - the gunpowder and the oxygen-containing
Gas „eingepackt" wird. In der Sonήenenergetik wurde dieses Prinzip bis heute nicht benutzt, und in der Fachliteratur wird dieser Parameter, der de-fakto die bestehende physikalischeGas is "packed". This principle has not been used in solar energy to this day, and in the specialist literature this parameter, the de facto the existing physical
Charakteristik der Effektivität des Energieumwandlers widerspiegelt, nicht erwähnt.Characteristic of the effectiveness of the energy converter reflects, not mentioned.
Für das in der Erfindung betrachtende Verfahren und ihn realisierende Einrichtungen ist der obengenannte Parameter SgJSPerim unerlässlich für die Charakterisierung von 2 Prozessen:For the method considered in the invention and the devices implementing it, the above-mentioned parameter S g JS Pe ri m is essential for the characterization of 2 processes:
1. Die Absorption der Sonnenstrahlungsenergie bzw. anderer Strahlungsenergien bzw. anderer Energie vom Material des Dochtes bzw. von einem anderen Energiezuleiter durch die Arbeitsflüssigkeit des Wärmerohres, und1. The absorption of the solar radiation energy or other radiation energies or other energy from the material of the wick or from another energy supply through the working fluid of the heat pipe, and
2. Die Freisetzung der Energie beim Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit auf den Poren des Dochtes im Verdampfer - Übergang der inneren thermischen Energie der Arbeitsflüssigkeit des Wärmerohres in potenzielle und kinetische Energie des Arbeitsgases des Wärmerohres.2. The release of energy when the working fluid evaporates on the pores of the wick in the evaporator - transition of the internal thermal energy of the working fluid of the heat pipe into potential and kinetic energy of the working gas of the heat pipe.
Im ersten (1) Prozess ist Sgr die Fläche der Grenze zwischen der Arbeitsflüssigkeit des Wärmerohres und den Wänden der Dochthöhlen, die diese Arbeitsflüssigkeit füllt. Wobei der Docht ein Endteil des Energiezuwandlungssystems ist.In the first (1) process, S gr is the area of the boundary between the working fluid of the heat pipe and the walls of the wicking cavities that this working fluid fills. The wick is an end part of the energy conversion system.
Es können aber Konstruktionen bestehen, in denen das mit der Arbeltsflüssigkeit kontaktierende Element des Energiezuleitungssystems in Form eines separaten Konstruktionselements gemacht wurde. Mit anderen Worten wird die Energie nicht in das Material bzw. in die Kapillare des Dochtes hineingeleitet, sondern durch separate Elemente der Konstruktion, die nicht mit dem Docht identisch sind, zu der Arbeitsflüssigkeit zugeleitet. In diesem Fall ist Sgr die Fläche der Grenze' zwischen der Arbeitsflüssigkeit des Wärmerohres und der weit entwickelten Oberfläche des mit der Arbeitsflüssigkeit kontaktierenden Materials des Energiezuwandlungssystems, wobei der Docht kein Endteil des Energiezuwandlungssystems ist.However, there may be constructions in which the element of the energy supply system that contacts the working fluid has been made in the form of a separate construction element. In other words, the energy is not conducted into the material or into the capillary of the wick, but through separate elements of the construction, which are not identical to the wick, to the working fluid. In this case, S gr is the area of the boundary 'between the working fluid of the heat pipe and the developed surface of the material of the energy conversion system that contacts the working fluid, the wick not being an end part of the energy conversion system.
Im zweiten (2) Prozess ist Sgr die Fläche der Grenze zwischen der Arbeitsflüssigkeit des Wärmerohres und dem Arbeitsgas des Wärmerohres.In the second (2) process, S gr is the area of the boundary between the working liquid of the heat pipe and the working gas of the heat pipe.
Beim Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit durch oder ohne das Sieden, und deren Umwandlung in das Arbeitsgas, wird die innere thermische Energie der Arbeitsflüssigkeit in potenzielle und kinetische Energie des Arbeitsgases, umgewandelt. Dabei erfolgt das Verdampfen der Flüssigkeit aus der Kapillarstruktur und deren Kondensation in der Kapillarstruktur viel intensiver, als analoge Erscheinungen auf einer glatten freien Oberfläche dieser Flüssigkeit, da a) (die Hauptursache) der Dampfdruck über dem Kapillarmeniskus bei der gleichen Temperatur, und damit auch die Bedingungen der Gasbildung und der Kondensation über der Kapillarstruktur anders sind, als über der freien Flüssigkeϊtsoberfläche, und b) (eine zusätzliche geometrische Ursache) die Summenfläche der Oberfläche der Grenze der Flüssigkeit^ die sich in den Kapillaren befindet, wird mit ihrem Dampf über den Kapillaren im Vergleich zu der Fläche der flachen freien Flüssigkeitsoberfläche durch die Krümmung der Menisken größer.When the working fluid is evaporated by or without boiling and converted into the working gas, the internal thermal energy of the working fluid is converted into potential and kinetic energy of the working gas. The evaporation of the liquid from the capillary structure and its condensation in the capillary structure takes place much more intensely than analogous phenomena on a smooth free one Surface of this liquid, since a) (the main cause) the vapor pressure above the capillary meniscus at the same temperature, and thus the conditions of gas formation and condensation above the capillary structure, are different than above the free liquid surface, and b) (an additional geometrical one Cause) the total area of the surface of the boundary of the liquid ^ which is in the capillaries, with their vapor over the capillaries, increases in comparison to the area of the flat free liquid surface due to the curvature of the menisci.
Diese Fläche der Grenze Sgr kann durch entsprechende Konstruktion des Dochtes, der eine große Kontaktfläche der Arbeitsflüssigkeit mit dem Arbeitsgas in einem kleinen Volumen bildet, wesentlich vergrößert werden. Der Docht kann z.B. die Form einer Spirale haben.This area of the limit S gr can be significantly increased by appropriate construction of the wick, which forms a large contact area of the working liquid with the working gas in a small volume. The wick can have the shape of a spiral, for example.
Dabei sollte man anmerken, dass das gleiche Prinzip „Sgr/SPerim >:> 1" nicht nur in der hier angebotenen und beschriebenen technischen Lösung angewandt werden kann, sondern auch überhaupt in der Strahlungsenergetik, u.a. in Lösungen, die allgemein weniger effektiv sind (z.B. im Stirling- Verfahren).It should be noted that the same principle "S gr / S P erim >:> 1" can be used not only in the technical solution offered and described here, but also in radiation energy at all, including in solutions that are generally less effective are (eg in the Stirling process).
Die Anwendung dieses Prinzips in anderen Bereichen, die nicht mit dem hier beschriebenen Bereich identisch sind (im Stirling- Verfahren, in den Sonnenkollektoren, in den Kernpumpen etc.), ist ebenfalls in der allgemeinen Ansprüche 9 und 10 erfasst.The use of this principle in other areas that are not identical to the area described here (in the Stirling process, in the solar collectors, in the core pumps etc.) is also covered in the general claims 9 and 10.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 15 angegeben. Die Weiterbildung nach dem Anspruch 15 ermöglicht die Erhöhung der Ausgangsleistung durch die Erhöhung des Temperaturgefälles zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator des Wärmerohres. Dies wird dadurch erreicht, dass der Umwandler, d.h. der Kondensator und der Verdampfer werden an einen Ort plaziert, wo der Kondensator einfach zu kühlen ist (z.B. im ozeanischen Tiefwasser oder im Bodenwasser unter der Erde in einem Bohrloch), und die Sonnenenergie, bzw. die Strahlungsenergie aus anderer Quelle, wird zum Verdampfer durch einen Strahlungsleiter geleitet, der in diesem Fall langgestreckt ist. Dieses Prinzip kann natürlich auch für die Zuleitung der Energie nicht nur zum Wärmerohr-Umwandler genutzt werden, sondern auch für die Speisung eines beliebigen Sonnen- bzw. stxahlungsangetriebenen Umwandlers.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 15. The development according to claim 15 enables the output power to be increased by increasing the temperature gradient between the evaporator and the condenser of the heat pipe. This is achieved by the converter, i.e. the condenser and the evaporator are placed in a place where the condenser is easy to cool (e.g. in deep ocean water or in underground water in a borehole), and the solar energy or radiation energy from another source becomes the evaporator directed a radiation conductor, which in this case is elongated. This principle can of course also be used for the supply of energy not only to the heat pipe converter, but also for the supply of any converter that is driven by solar radiation or radiation.
16..39 und 3016..39 and 30
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 16 für das Verfahren und in 29 bis 30 für die Einrichtung angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 16, 29, und 30 ermöglicht der Verwendung des Verfahrens für die Utilisierung der Industrieabwärme, die im Strom eines bestimmten Gases oder einer Flüssigkeit enthalten ist. In diesem Fall wird der Verdampfer des Wärmerohres in diesem Strom plaziert, und der Kondensator außerhalb dieses Stroms im thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel. Oder aber wird der gesamte Wärmerohr-Energieumwandler außerhalb des o.g. Stroms plaziert, und die Energie dieses Stroms wird zum Verdampfer des Wärmerohres mit Hilfe eines bestimmten Wärmetauschers zugeleitet.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 16 for the method and in 29 to 30 for the device. The development according to claims 16, 29 and 30 enables the use of the method for utilizing the industrial waste heat contained in the flow of a certain gas or liquid. In this case the evaporator of the heat pipe is placed in this stream and the condenser outside of this stream is in thermal contact with the coolant. Or, the entire heat pipe energy converter is outside of the above. Electricity is placed, and the energy of this current is supplied to the evaporator of the heat pipe using a specific heat exchanger.
31....3231 .... 32
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 31 und 32 angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 31 und 32 ermöglicht eine weitere Umwandlung der Energie in eine auf traditionelle Weise nutzbare Form.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 31 and 32. The further development according to patent claims 31 and 32 enables a further conversion of the energy into a form that can be used in a traditional manner.
33 bis 4033 to 40
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 33 bis 40 angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 33 bis 40 ermöglicht die Umwandlung der Wärmeenergie in die elektrische Energie in den Einrichtungen, in denen die mechanisch bewegten Teile fehlen. Dabei wird die Gasbewegungsenergie des Wärmerohres erst in die Energie der akustischen Schwingungen umgewandelt, die anschließend in die elektrische Energie umgewandelt wird.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 33 to 40. The further development according to claims 33 to 40 enables the conversion of the thermal energy into the electrical energy in the facilities in which the mechanically moving parts are missing. The gas movement energy of the heat pipe first converted into the energy of acoustic vibrations, which is then converted into electrical energy.
41 bis 4941 to 49
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 41 bis 49 angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 41 bis 49 ermöglicht Erzeugung elektrischer Energie mit der Hilfe eines Wärmerohres durch die gemeinsame Einwirkung der akustischen Schwingungen und der Energie der Sonnenstrahlung auf den Energieumwandler.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 41 to 49. The further development according to patent claims 41 to 49 enables generation of electrical energy with the help of a heat pipe through the joint action of the acoustic vibrations and the energy of the solar radiation on the energy converter.
SO und 51SO and 51
Eine andere mögliche Variante der Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 50 und 51 angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 50 und 51 ermöglicht die Umwandlung der Energie der Gasbewegung des Wärmerohres in die elektrische Energie bei niedrigen Geschwindigkeiten der Gasströmung.Another possible variant of the embodiment of the invention is specified in claims 50 and 51. The development according to claims 50 and 51 enables the conversion of the energy of the gas movement of the heat pipe into the electrical energy at low gas flow speeds.
5252
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 52 angegeben. Die Weiterbildung nach dem Anspruch 52 ermöglicht die Energiezufuhr durch die Nutzung einer Fresnel-Linse bzw. einer Fresnei-Spiegel zu vereinfachen.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 52. The development according to claim 52 makes it possible to simplify the energy supply by using a Fresnel lens or a Fresnei mirror.
53 bis 5953 to 59
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 53 bis 59 angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 53. bis 59 ermöglicht eine direkte Umwandlung der Wärmeenergie des Gases des Wärmerohres in die elektrische Energie nach dem MHD-Generationsprinzip.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 53 to 59. The further development according to patent claims 53 to 59 enables a direct conversion of the thermal energy of the gas of the heat pipe into the electrical energy according to the MHD generation principle.
60 bis 6560 to 65
Eine andere Variante der Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 60 bis 65 angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 60 bis 65 ermöglicht Erzeugung hoher elektrischer Spannung durch eine direkte Umwandlung der Gasenergie des Wärmerohres in die elektrische Energie nach dem elektrostatischen Generationsprinzip.Another variant of the embodiment of the invention is specified in claims 60 to 65. The development according to claims 60 to 65 enables generation of high electrical voltage by a direct conversion of the gas energy of the heat pipe into the electrical energy according to the electrostatic generation principle.
6666
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 66 angegeben. Die Weiterbildung nach dem Anspruch 66 ermöglicht die Energie des Gases des Wärmerohres in die elektrische Energie durch die Kombination des MHD-Generationsprinzips und des elektrostatischen Generationsprinzips umzuwandeln,A further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 66. The development according to claim 66 enables the energy of the gas of the heat pipe to be converted into electrical energy by the combination of the MHD generation principle and the electrostatic generation principle,
67,68....„6967.68 .... "69
Eine Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 67 und 68 angegeben. Die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 67 und 68 ermöglicht: a) die Anwendung des angebotenen Verfahrens in der Mikrosystemtechnik (in der Nanotechnologie ) für die Energiespeisung oder Steuerung der mikroskopischen Einrichtungen und Systeme, und b) die Schaffung mit Nanotechnologischen Methoden (u.a. z.B. durch LIGA-Verfahren) der mikrosystemtechnischen Energieumwandler zu makroskopischen allgemeintechnischen Zwecken, d.h. -für den Betrieb gewöhnlicher makroskopischer Geräte.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claims 67 and 68. The further training according to patent claims 67 and 68 enables: a) the application of the offered method in microsystem technology (in nanotechnology) for the energy supply or control of microscopic devices and systems, and b) the creation with nanotechnological methods (e.g. using the LIGA method) ) the microsystem energy converter for macroscopic general technical purposes, ie -for the operation of ordinary macroscopic devices.
Mikrosysteme für die Schaffung und Bildung eines Fluidstroms, wie auch die Komponente für jegliche Handhabung von Flüssigkeiten und Gasen in Mikrobereich, so wie Verfahren zur technologischen Herstellung dieser Mikrosysteme, sind bekannt. Damit ist eine Neuentwicklung der technologischen Basis für -die konstruktorische Realisierung des Verfahrens und der Einrichtungen nach Ansprüchen 67 - 69 nicht nötig. Im weiterem werden zuerst einige allgemeine Hinweise zusammengefasst, die die Ausführungsprinzipien der Erfindung skizzieren. Danach werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf Zeihungen beschrieben.Microsystems for the creation and formation of a fluid flow, as well as the component for any handling of liquids and gases in the micro range, such as methods for the technological production of these microsystems, are known. A new development of the technological basis for the constructive implementation of the method and the facilities according to claims 67-69 is therefore not necessary. In the following, some general instructions are first summarized, which outline the principles of embodiment of the invention. Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to drawings.
Das vorgeschlagene Verfahren wird in einer Anlage realisiert, die ein Gerät einschließt, das zumindest aus 2 hermetischen, hohlen, untereinander kommunizierenden Kammern besteht, deren innere Oberfläche von der Kapillarstruktur ausgelegt ist.The proposed method is implemented in a system that includes a device that consists of at least 2 hermetic, hollow, communicating chambers, the inner surface of which is designed by the capillary structure.
Eine der Kammern heißt Verdampfer, die andere Kammer heißt Kondensator. Dabei wird die Wärme- oder Sonnenenergie zu dem Verdampfer geleitet. Die Kapiilarstruktur ist mit einer Arbeitsflüssigkeit ausgefüllt, deren Verdampfungstemperatur (Kondensationstemperatur) in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen ausgesucht wird, d.h. von Temperaturen, in welchen sich der Verdampfer und der Kondensator befinden. Im Verdampfer erfolgt eine steile Vergrößerung von Volumen und Druck des Arbeitskörpers infolge dessen Verdampfung an Porenstruktur (Kapillarstruktur). Im Kondensator geschieht ein umgekehrter Prozess. Damit laufen in 2 benachbarten Kammern ununterbrochen 2 ihrer Eigenschaft nach explosions-(implosions)artige und ihrem Vorzeichen nach gegensätzliche Prozesse ab - eine steile Vergrößerung von Volumen und Druck des Arbeitskörpers (Gas) und seine steile Verminderung.One of the chambers is called an evaporator, the other chamber is called a condenser. The heat or solar energy is conducted to the evaporator. The capillary structure is filled with a working fluid, the evaporation temperature (condensation temperature) is selected depending on the working conditions, i.e. of temperatures in which the evaporator and the condenser are located. The volume and pressure of the working body increase steeply in the evaporator as a result of its evaporation at the pore structure (capillary structure). A reverse process takes place in the capacitor. This means that in 2 neighboring chambers 2 explosive (implosions) and opposite signs in terms of their properties run continuously - a steep increase in volume and pressure of the working body (gas) and its steep decrease.
Damit erfolgt ein steiles Druckgefälle zwischen den Kammern, das zum Umflissen vom Gas durch einen Hals zwischen den Kammern fuhrt.This results in a steep pressure drop between the chambers, which leads to the flow around the gas through a neck between the chambers.
Für die weitere Vergrößerung des Druckgefalles bei gleichen Temperaturdifferenzen sind die KapiUarstrukturen in verschiedenen Kammern unterschiedlich (Erklärung siehe oben).To further increase the pressure drop at the same temperature differences, the capillary structures in different chambers are different (see above for explanation).
Die Energie dieses Hochgeschwindigkeits- (u.a. auch Überschall-) Gasstroms kann effektiv, d.h. mit relativ kleinen Verlusten, in andere nützliche Energiearten umgewandelt werden, u.a. in elektrische Energie. Für diese Umwandlung sind verschiedene Weiterentwicklungen dieses Verfahrens in vorliegender Beschreibung erläutert, wobei jede Weiterentwicklung in Abhängigkeit von den Zielen und den Anwendungsbereichen des Umwandlers dargestellt wird.The energy of this high-speed (including supersonic) gas flow can be effective, i.e. with relatively small losses, can be converted into other useful types of energy, including in electrical energy. For this conversion, various further developments of this method are explained in the present description, each further development being shown depending on the goals and the areas of application of the converter.
In der Erfindung ist das Prinzip „Sgr/Sperim » 1" (s. oben) realisiert, d.h. die Energie wird zu (von) der ganzen Masse des Arbeitskörpers gleichzeitig heran-(ab-)geführt, und nicht nur zu' -(von) der Oberfläche, die das Volumen begrenzt, das vom Arbeitkörper eingenommen wird. Dies gibt die Möglichkeit 1) die Leistung der Einrichtung erheblich zu erhöhen, und 2) die Energiezwischenverluste durch die Verkürzung der Absorptions- und der Weiterumwandlungszeit der eintretenden Energie durch den Arbeitskörper erheblich zu senken.In the invention, the principle “S gr / S pe ri m » 1 ”(see above) is implemented, ie the energy is brought in to (from) the entire mass of the working body simultaneously, and not only to '- (from) the surface that limits the volume occupied by the work body, which gives the possibility 1) to significantly increase the performance of the device, and 2) to reduce the intermediate energy losses by shortening the absorption and further conversion time of the incoming energy by significantly lowering the working body.
Dies wird z.B. dadurch realisiert, dass die Sonnenenergie unmittelbar in die Kapillaren des Dochtes oder in sein Material emgeführt wird. Damit ist eine sehr große Fläche der Oberfläche der Energieübergabe-Grenze zwischen dem Dochtmaterial und der Arbeitsflüssigkeit in ein kleines, Volumen, das vom Docht des Verdampfers eingenommen wird, „eingepackt". Außerdem verlässt die Sonnenenergie, die von der Arbeitsflüssigkeit nicht absorbiert wurde, nicht das System, sondern breitet sich unter vielfacher Wiederspiegelung entlang der Grenze zwischen dem Dochtmaterial und der Arbeitsflüssigkeit aus, und wird im Endeffekt gänzlich von der Arbeitsflüssigkeit absorbiert. Dies senkt ebenfalls erheblich die Energiezwischenverluste. Die Sonnenenergie wird durch einen Strahlungsleiter zum Verdampfer zugeführt. Dieser Strahlungsleiter kann eine beträchtliche Länge haben, und damit kann der Energieumwandler in unmittelbarer Nähe zum kühlenden Kühlmittel plaziert werden, und zwar da, wo dieses Kühlmittel die minimale Temperatur aufweist. Zum Beispiel im Ozean- bzw. im Tiefseewasser in gewisser Tiefe, oder im Grundwasser. Im letzten Fall ist der Strahlungsleiter im Bohrloch plaziert. Dies gibt die Möglichkeit das Temperaturgefälle zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator, und damit im Endeffekt auch den Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung der Einrichtung zu erhöhen.This is achieved, for example, by directing the solar energy directly into the capillaries of the wick or into its material. Thus, a very large area of the surface of the energy transfer boundary between the wicking material and the working fluid is "wrapped up" in a small volume that is occupied by the wick of the evaporator. In addition, the solar energy that has not been absorbed by the working fluid does not leave the system spreads along the boundary between the wick material and the working fluid under multiple reflection, and is ultimately completely absorbed by the working fluid, which also significantly reduces the intermediate energy losses. The solar energy is supplied to the evaporator through a radiation conductor. This radiation conductor can be of considerable length, and thus the energy converter can be placed in the immediate vicinity of the cooling coolant, where this coolant is at the minimum temperature. For example in the ocean or deep sea water to a certain depth, or in groundwater. In the latter case, the radiation guide is placed in the borehole. This gives the possibility of increasing the temperature gradient between the evaporator and the condenser, and ultimately the efficiency and the output power of the device.
In den Strahlungsleiter wird Sonnenenergie eingeführt, u.a. von den Sonnenkonzentrierenden Vorrichtungen, u.a. von der Fresnel-Linse oder vom Fresnel-Spiegel,; oder mit diesen beiden Methoden gleichzeitig.Solar energy is introduced into the radiation conductor, e.g. from the sun-concentrating devices, e.g. from the Fresnel lens or from the Fresnel mirror; or with these two methods at the same time.
Im Falle einer Verwendung des Verfahrens für die Utilisierung der Industrieabwärme, wird zum Verdampfer thermische Energie zugeleitet. Als einen oft vorkommenden Fall sollte man separat den Fall der Utilisierung der Industrieabwärme, die im Strom eines bestimmten Gases oder einer Flüssigkeit enthalten ist, hervorheben. In diesem Fall wird der Verdampfer des Wärmerohres in diesem Strom plaziert, und der Kondensator außerhalb dieses Stroms im thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel. Oder aber wird der . gesamte Wärmerohr-Energieumwandler außerhalb des o.g. Stroms plaziert, und die Energie dieses Stroms wird zum Verdampfer des Wärmerohres mit Hilfe eines bestimmten Wärmetauschers zugeleitet.If the process is used to utilize the industrial waste heat, thermal energy is supplied to the evaporator. As an often occurring case, one should separately emphasize the case of utilizing the industrial waste heat contained in the flow of a particular gas or liquid. In this case the evaporator of the heat pipe is placed in this stream and the condenser outside of this stream is in thermal contact with the coolant. Or else it will. entire heat pipe energy converter outside of the above Electricity is placed, and the energy of this current is supplied to the evaporator of the heat pipe using a specific heat exchanger.
Das Verfahren kann auch in der Nanotechnologie ( in der Mikrosystemtechnik) für die Energiespeisung oder Steuerung der mikroskopischen Einrichtungen und Systeme verwendet werden, so wie auch für die Schaffung mit Nanotechnologischen Methoden (u.a. z.B. durch LIGA-Verfahren) der mikrosystemtechnischen Energieumwandler, die aus sehr vielen mikroskopischen Modulen bestehen, und zu makroskopischen allgemeintechnischen Zwecken, d.h. für den Betrieb gewöhnlicher makroskopischer Geräte verwendet werden können.The method can also be used in nanotechnology (in microsystem technology) for the energy supply or control of microscopic devices and systems, as well as for the creation with nanotechnological methods (e.g. by LIGA method) of microsystem energy converters, which consist of a large number of microscopic ones Modules exist, and for macroscopic general technical purposes, ie can be used to operate ordinary macroscopic devices.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Some embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and are described in more detail below.
(Mit den Zeichnungen ist nur die Information dargestellt, die im Rahmen dieser Beschreibung mit Worten nur schwer zweifelsfrei zu beschreiben war.)(The drawings only show the information that was difficult to describe in words within the scope of this description.)
Es zeigen:Show it:
Fig.l ein Bild des allgemeinen Schemas der Realisierung des Verfahrens (oben - Fig a). Unten ist zum Vergleich ein Schema der Realisierung des Verfahrens nach dem Stirlingverfahren (Fig. 1.b) angerührt;Fig.l a picture of the general scheme of the implementation of the method (above - Fig a). For comparison, a diagram of the implementation of the method according to the Stirling method (FIG. 1.b) is touched down;
Fig.2 eine schematische Illustration des Prinzips „Sgr/Sperim >:> 1" für die Grenze zwischen dem Dochtmaterial und der Arbeitsflüssigkeit des Wärmerohres (a) und zwischen der Arbeitsflüssigkeit des Wärmerohres und dem Arbeitsgas des Wärmerohres (b);2 shows a schematic illustration of the principle “S gr / S per im >:> 1” for the boundary between the wick material and the working liquid of the heat pipe (a) and between the working liquid of the heat pipe and the working gas of the heat pipe (b);
Fig. 3 thermoakustoelektrischer Konverter mit piezoelektrischer Umwandlung;Fig. 3 thermoacoustic converter with piezoelectric conversion;
Fig. 4 thermoakustoelektrischer Konverter mit magnetostriktischer Umwandlung;Fig. 4 thermoacoustic converter with magnetostrictic conversion;
Fig. 5 thermofotoelektrischer Konverter mit Umwandlung durch die fotoleitenden Piezohalbleiter; Fig. 6 a) ein mögliches J-B-U Vektordiagramm für einen thermoelektrischen (gasströmungselektrischen) Tropfenkonverter mit der Umwandlung nach dem MHD-Generatipnsprinzip;Fig. 5 thermo-photoelectric converter with conversion by the photoconductive piezo semiconductor; 6 a) a possible JBU vector diagram for a thermoelectric (gas flow electrical) drop converter with the conversion according to the MHD generation principle;
Fig. 6 b) ein mögliches J-U Vektordiagramm'für einen thermoelektrischen (gasströmungselektrischen) Tropfenkonverter mit der Umwandlung nach dem elektrostatischen Generationsprinzip.Fig. 6 b) a possible JU vector diagram ' for a thermoelectric (gas flow electrical) drop converter with the conversion according to the electrostatic generation principle.
Fig ein schematisches Bild der Realisierung des Verfahrens mit der Plazierung des Energieumwandlers unter dem Wasser bzw. unter der Erdoberfläche im Grundwasser (a); auf der Wasseroberfläche ohne die Nutzung des Strahlungsleiters (b); und in kosmischen Apparaten (c);Fig. A schematic image of the implementation of the method with the placement of the energy converter under the water or under the earth's surface in the groundwater (a); on the water surface without using the radiation guide (b); and in cosmic apparatus (c);
Fig.8 einige mögliche Schemata der Nutzung des Verfahrens für die Utilisierung der Industrieabwärme und eine der möglichen Varianten der konstruktive Ausführung dieser Verfahren;8 shows some possible schemes of using the process for utilizing the industrial waste heat and one of the possible variants of the constructive implementation of these processes;
Der Generator der elektrischen Energie 1 ist in das Wärmerohr 2 so eingebaut, da der Energieumwandler 3 der Gasstrδmung des Wärmerohres in andere Energiearten im Inneren des Wärmerohres, etwa am Ort maximaler Strömungsgeschwindigkeit, angeordnet ist.The generator of electrical energy 1 is installed in the heat pipe 2 in such a way that the energy converter 3 for the gas flow of the heat pipe into other types of energy is arranged inside the heat pipe, for example at the location of the maximum flow velocity.
Das Wärmerohr 2 enthält den Verdampfer 4, den Kondensator 5, den Arbeitskörper in der flüssigen Phase 6, in der gasförmigen Phase 7 und den Kreis der Rückgewinnung von Flüssigkeit 8. Nach der Definition des Wärmerohres , kann die Rückgewinnung der Flüssigkeit im Kreis '8 durch Kapillar-, Gravitations-, Zentrifugal- oder andere Arten von Kräften bzw. Ihre Kombinationen erfolgen. Damit ist Thermosiphon ein Sonderfall des Wärmerohres,' in dem die Rückgewinnung der Flüssigkeit durch Gravitationskräfte erfolgt. Damit wird in den Patentansprüchen unter dem Begriff „Wärmerohr" u.a. auch der Thermosiphon verstanden, u.a. auch Einrichtungen, die u.a. einige oder mehrere Verdampferen, Kondensatoren und Transportzόnen enthalten, dabei können alle diese Konstruktionselemente beliebige Form (nicht nur die Zylinderform) und beliebige Größen haben.The heat pipe 2 contains the evaporator 4, the condenser 5, the working body in the liquid phase 6, in the gaseous phase 7 and the circuit for the recovery of liquid 8. According to the definition of the heat pipe, the liquid can be recovered in the circuit ' 8 by Capillary, gravitational, centrifugal or other types of forces or their combinations. Thus thermosiphon is a special case of the heat pipe, 'in which takes place the recovery of the fluid by gravitational forces. Thus, in the claims, the term “heat pipe” also includes the thermosiphon, including devices that contain, among other things, a few or more evaporators, condensers and transport teeth, all of which can have any shape (not just the cylindrical shape) and any size ,
• Auf den o. g. Figuren wird eine Variante der- Rückgewinnung von Flüssigkeit anhand der Kapillarkräfte dargestellt. Falls Gravitationskräfte benutzt werden, muß der Kondensator höher als der Verdampfer angeordnet sein; falls Zentrifugalkräfte benutzt werden, muß das Wärmeröhr rotieren, und der Verdampfer mit dem Kondensator müssen auf unterschiedlicher Entfernung von seiner Notationsachse plaziert werden. Die Flüssigkeit 6 verdampft im Verdampfer 4 und bewegt sich in' Form einer Hochgeschwindigkeitsgasströmung in den Kondensator 5, wo sie dann kondensiert. Auf seinem Weg verrichtet das Gas eine Arbeit, die in andere Energiearten mit Hilfe des Umwandlers 3 umgewandelt wird.• The above figures show a variant of the recovery of liquid based on the capillary forces. If gravitational forces are used, the condenser must be higher than the evaporator; if centrifugal forces are used, the heat pipe must rotate and the evaporator with the condenser must be placed at different distances from its axis of notation. The liquid 6 evaporates in the evaporator 4, and moves in 'the form of a high velocity gas flow into the condenser 5, where they are then condensed. On its way, the gas does a job that is converted into other types of energy with the help of converter 3.
Die Zufuhr 10 der Sonnen- oder. Wärmeenergie wird direkt oder durch Energiezuleitungssystem 20, d.h. durch zusätzliche Einrichtungen für die Konzentration und . die Übergabe der Sonnen- oder Wärmeenergie (z. B. Spiegel, Linsen, (u.a. Fresnelspiegel bzw. -linsen 24), Sonnenkollektoren, Sonnenstrahlungsleitem 25 (u.a. Lichtleitern), Wärmettansporteinrichtungen etc.) zum- Verdampfer des Wärmerohres zugeleitet. Die Ableitung der Energie (mittels Energieableitungssystem 21) von dem Kondensator erfolgt entweder direkt durch die Abstrahlung, was im Weltraum effektiv sein kann, oder durch ein Kühlmittel: In dein Kühlmittel (z. B. Wasser, äußere Luft .etc.) kann der Kondensator entweder direkt eingetaucht oder mit jenem durch Wärmetransporteinrichtungen verbunden werden.The feed 10 of the sun or. Thermal energy is generated directly or through energy supply system 20, ie through additional devices for concentration and. the transfer of solar or thermal energy (e.g. mirrors, lenses (including Fresnel mirrors or lenses 24), solar collectors, solar radiation guide 25 (including light guides), heat transport devices etc.) to the evaporator of the heat pipe. The energy is dissipated (by means of energy dissipation system 21) from the condenser either directly through the radiation, which can be effective in space, or through a coolant: the condenser can be placed in the coolant (e.g. water, external air, etc.) either immersed directly or connected to it by heat transfer devices.
Für die Intensivierung des Verdampfungsprozesses kann die Sonnenstrahlung auch direkt zu dem im Verdampfer liegenden Kapillarstruktur (dem Docht) des Wärmerohres durch den transparenten Mantel des Wärmerohres oder durch ein Lichtleitungs- oder ein anderes optisches System zugeleitet werden, Und überhaupt, wenn die äußere Energie in Form von Strahlung zum Verdampfer des Wärmerohres zugeleitet wird, so kann der Mantel des Verdampfers oder der Docht, oder sie beide aus einem für diese Strahlung transparenten Material gefertigt sein, und die Strahlungsenergie wird in diesem Fall zum Docht oder zu der Arbeitsflüssigkeit direkt oder auch durch ein optisches bzw. strahlungsleitendes' System zugeleitet.For the intensification of the evaporation process, the solar radiation can also be fed directly to the capillary structure (the wick) of the heat pipe in the evaporator through the transparent jacket of the heat pipe or through a light conduction or other optical system, and in general if the external energy is in the form of radiation is supplied to the evaporator of the heat pipe, the jacket of the evaporator or the wick, or both of them can be made of a material transparent to this radiation, and the radiation energy in this case becomes the wick or the working fluid directly or through a optical radiation or conducting 'system supplied.
Fig. 3 zeigt eine Variante der Energieumwandlung der Strömung des Arbeitsgases 7 in die Energie der akustischen Schwingungen mit der darauffolgenden Umwandlung in die elektrische Energie mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers iFig. 3 shows a variant of the energy conversion of the flow of the working gas 7 into the energy of the acoustic vibrations with the subsequent conversion into electrical energy with the aid of a piezoelectric converter i
Fig. 4 zeigt eine Variante der Energieumwandlung der Strömung des Arbeitsgases 7 in die Energie der akustischen Schwingungen- mit der darauffolgenden Umwandlung in die elektrische Energie mit Hilfe eines magnetostriktischen Wandlers.Fig. 4 shows a variant of the energy conversion of the flow of the working gas 7 into the energy of the acoustic vibrations - with the subsequent conversion into electrical energy with the aid of a magnetostrictic converter.
Die Energie der Gasströmung 7 des Wärmerohres wird in die Energie der akustischen Schwingungen mit Hilfe des Hartmann-Generators 12, oder mit einer seiner Modifikationen umgewandelt. In der Zone der auf diese Weise erzeugten akustischen Schwingungen plaziert man den akustoelektrischen Wandler, z. B. den piezoelektrischen Wandler 13 oder den magnetostriktischen Wandler 14. Die elektrische Energie der erwähnten Wandler wird an die äußere Beanspruchung der Verbraucher gebracht. Zur Erzeugung akustischer Schwingungen, unter anderem Ultraschall- und Schallschwingungen, kann man statt de,s Hartmann-Generators einen beliebigen anderen Generator der akustischen Schwingungen anwenden, z. B. eine Pfeife, eine Sirene, einen Membran- oder Saitengenerator, oder einen Generator, der die Schwingungen des festen Körpers in der Gasströmung ausnutzt etc.The energy of the gas flow 7 of the heat pipe is converted into the energy of the acoustic vibrations with the help of the Hartmann generator 12, or with one of its modifications. In the zone of the acoustic vibrations generated in this way, you place the acoustoelectric transducer, for. B. the piezoelectric transducer 13 or the magnetostrictic transducer 14. The electrical energy of the transducers mentioned is brought to the external stress of the consumer. To generate acoustic vibrations, including ultrasonic and acoustic vibrations, one can use any other generator of acoustic vibrations instead of the Hartmann generator, e.g. B. a pipe, a siren, a membrane or string generator, or a generator that uses the vibrations of the solid body in the gas flow, etc.
Fig. 5 zeigt eine Variante der Energieumwandlung der Strömung des Arbeitsgases 7 in die Energie der akustischen Schwingungen mit der darauffolgenden Umwandlung in die elektrische Energie mit Hilfe des Piezohalbleiterwandlers 15, welcher fotoleitende Eigenschaften besitzt, z. B. Cd S. Der Wandler 15 wird im inneren Raum des Wärmerohres in der Zone der akustischen Schwingungen des Generators 12, analog mit der Beschreibung für den Wandler 13, aufgestellt. Die Oberfläche des Wandlers 15 wird jedoch unter dem transparenten Fenster 17 in der Wand des Wärmerohres angeordnet. Das Sonnenlicht 19 fällt direkt durch dieses Fenster oder über ein optisches System auf die Oberfläche des Kristalls 16. Unter der Einwirkung der akustischen Schwingungen des Generators 12 in dem Piezohalbleiter 16 erfolgt eine Akusto-EMK, die in fotoleitenden Kristallen stark von der Belichtung abhängt.Fig. 5 shows a variant of the energy conversion of the flow of the working gas 7 into the energy of the acoustic vibrations with the subsequent conversion into electrical energy with the aid of the piezo semiconductor converter 15, which has photoconductive properties, for. B. Cd S. The transducer 15 is placed in the inner space of the heat pipe in the zone of acoustic vibrations of the generator 12, analogously to the description for the transducer 13. However, the surface of the transducer 15 is placed under the transparent window 17 in the wall of the heat pipe. The sunlight 19 falls directly through this window or via an optical system onto the surface of the crystal 16. Under the action of the acoustic vibrations of the generator 12 in the piezo semiconductor 16, an acoustic EMF takes place, which strongly depends on the exposure in photoconductive crystals.
Auf den Verdampfer 4 des Wärmerohres und auf den Wandler 15' können zwei unabhängige Ströme der Sonnenstrahlung gelenkt werden. Man kann aber auch auf eine gewöhnliche Weise die Spektralkomponente aus diesem Strom hervorheben, die den Absorptionsfrequenzen des fotoleitenden Kristalls 16 des Wandlers 15 entsprechen. Anschließend lenkt man jenen Teil der Strömung, der vom Kristall absorbiert wird, auf seine Oberfläche, und den restlichen Teil auf den Verdampfer. In allen oben genannten Varianten der Konstruktion kann die Energie der akustischen Schwingungen zu dem akustoelektrischen Wandler entweder unmittelbar im Gasstromkanal des Wärmerohres oder durch den Schalleiter 18 zugeleitet werden. Im letzteren Fall plaziert man den akustoelektrischen Wandler (oder den fotoakustoclektrischen Wandler) außerhalb des Wärmerohres.Two independent currents of solar radiation can be directed onto the evaporator 4 of the heat pipe and onto the converter 15 '. However, it is also possible in a conventional manner to emphasize the spectral component from this current which corresponds to the absorption frequencies of the photoconductive crystal 16 of the converter 15. Then you direct that part of the flow that is absorbed by the crystal onto its surface, and the remaining part onto the evaporator. In all of the above-mentioned variants of the construction, the energy of the acoustic vibrations can be fed to the acoustoelectric transducer either directly in the gas flow channel of the heat pipe or through the sound conductor 18. In the latter case, one places the acoustoelectric transducer (or the photoacoustic transducer) outside the heat pipe.
Die oben genannten Varianten der Verfahrensrealisation sind in der Regel zweckmäßig für die Bildung der Einrichtungen mit relativ kleiner Ausgangsspannung und Leistung, die naturgegebene geringe Temperaturdifferenzen auszunutzen vermögen.The above-mentioned variants of the method implementation are generally expedient for the formation of the devices with a relatively low output voltage and power, which are able to take advantage of naturally small temperature differences.
Selbstverständlich ist auch die Nutzung des thermomechanoelektrischen Konverters in Rahmen der Realisation des angemeldeten Verfahrens nicht ausgeschlossen. Die Bewegungsenergie des Arbeitsgases des Wärmerohres kann in mechanische Rotationsenergie oder in mechanische Schwingungen eines Arbeitskörpers umgewandelt werden, welche anschließend mit Hilfe eines mechano-elektrischen Wandlers in die elektrische Energieumgewandelt wird. Dabei ist dieser Arbeitsköφer (z. B. eine Turbine) des mechanoelektrischen Wandlers in der Gasströmung des Wärmerohres angeordnet. Die gezeigte Variante der Verfahrensrealisation besitzt jedoch bezüglich aller anderen Varianten jenen Nachteil, daß Einrichtungen, die dieses Verfahren ermöglichen, mechanisch bewegliche Teile enthalten müssen.Of course, the use of the thermomechanoelectric converter in the implementation of the registered method is not excluded. The kinetic energy of the working gas of the heat pipe can be converted into mechanical rotational energy or into mechanical vibrations of a working body, which is then converted into electrical energy with the aid of a mechano-electrical converter. This working body (e.g. a turbine) of the mechanoelectric converter is arranged in the gas flow of the heat pipe. However, the variant of the method implementation shown has the disadvantage with respect to all other variants that devices which enable this method must contain mechanically moving parts.
Im weiteren werden Varianten der Verfahrensrealisation beschrieben, die grundsätzlich für die Schaffung der mittleren und der höheren Ausgangsleistungen zweckmäßig sind. Dies wird anhand der Energieumwandlung der Gasströmung in die elektrische Energie nach dem MHD-Generationsprinzip oder nach dem elektrostatischen Generationsprinzip ermöglicht.Variants of the implementation of the method are described below, which are basically expedient for creating the medium and higher output powers. This is made possible on the basis of the energy conversion of the gas flow into electrical energy according to the MHD generation principle or according to the electrostatic generation principle.
In rler Regel fließt das in den MHD-Generatoren elektroleitende Gas (Plasma) oder die elektroleitende Flüssigkeit in einem Magnetfeld und kreuzt seine Kraftlinien. Dies führt zu der Ablenkung der Ladungen mit verschiedenen Vorzeichen in verschiedene Richtungen, und damit zur Trennung der in der Flüssigkeit (oder im Gas) enthaltenen elektrischen Ladungen. Dies wiederum führt zur Generation elektrischer Energie. Die Effektivität der magnetohydrodynamischer Generation ist dadurch begrenzt, daß das Erreichen der hohen elektrischen Gasleitfähigkeit in den Gas-MHD-Generatoren problematisch ist; In den flüssigen MHD-Generatoren besitzen Flüssigkeiten eine hohe elektrische Leitfähigkeit, aber es ist problemsteilend sie auf hohe Fließgeschwindigkeiten zu bringen.As a rule, the electroconductive gas (plasma) or the electroconductive liquid in the MHD generators flows in a magnetic field and crosses its lines of force. This leads to the deflection of the charges with different signs in different directions, and thus to the separation of the electrical charges contained in the liquid (or in the gas). This in turn leads to the generation of electrical energy. The effectiveness of the magnetohydrodynamic generation is limited in that the achievement of the high electrical gas conductivity in the gas MHD generators is problematic; Liquids have a high electrical conductivity in the liquid MHD generators, but it is problematic to bring them to high flow rates.
In dem angebotenen Verfahren erweist sich der Arbeitskörper als die Mischung der Gas- und der Flüssigphase, und die elektrischen Ladungen werden in dem Magnetfeld zusammen mit den Tropfen der zerstäubten Flüssigkeit, die jene enthält, abgelenkt. Dabei führt man die Flüssigkeit in den Gasstrom ein, zerstäubt sie, lädt elektrisch die Tropfen auf und läßt sie zusammen mit der o. g. Gasströmung in einem Magnetfeld (oder in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern) fliegen, wie in einem normalen MHD-Generator. Die weitere Arbeit und Energieabnahme wird auf die für die MHD-Generatoren gewöhnliche Art und Weise durchgeführt, also entweder mit Hilfe von Elektroden (MHD-Konduktionsgeneratoren), oder durch die Abnahme der induzierenden Strömen (MHD-Induktionsgeneratoren).In the proposed method, the working body turns out to be the mixture of the gas and the liquid phase, and the electric charges are deflected in the magnetic field together with the drops of the atomized liquid that contains them. The liquid is introduced into the gas stream, atomized, electrically charged with the drops and left together with the above-mentioned one. Gas flow in a magnetic field (or in crossed electric and magnetic fields) fly like in a normal MHD generator. The further work and energy consumption is carried out in the usual way for the MHD generators, that is either with the help of electrodes (MHD conduction generators), or by the decrease in the inducing currents (MHD induction generators).
Als Beispiel zeigt Fig. 6 a) ein mögliches Vektordiagramm für einen Tropfenkonverter mit der Umwandlung nach dem MHD-Generationsprinzip. Hier J - Fluß der Gasströmung, B -magnetische Flußdichte, U - elektrische Spannung. Die Zufuhr der Flüssigkeit in die Gasströmung und ihr Zerstäuben in dieser Strömung erfolgt durch einen Zerstäuber.As an example, FIG. 6 a) shows a possible vector diagram for a drop converter with the conversion according to the MHD generation principle. Here J - flow of gas flow, B - magnetic flux density, U - electrical voltage. The liquid is fed into the gas flow and atomized in this flow by an atomizer.
Darauf folgt die Beschreibung einer der möglichen bekannten Konstruktionen des Zerstäubers, der das Zerstäuben einer Flüssigkeit im Gasstrom ausschließlich durch die Energie dieses Stromes erlaubt- Diese Vorrichtung enthält zumindest ein schmales Röhrchen, dessen ein Ende sich im Gasstrom und das andere Ende in der Flüssigkeit befindet, die eine freie Fläche besitzt. Dabei grenzt diese freie Fläche der Flüssigkeit mit dem Gas, das sich entweder bezüglich dieser Flüssigkeit ruht, oder bewegt sich ihr gegenüber mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als die Geschwindigkeit der Gasströmung bezüglich des zweiten Rohrendes des Zerstäubers. Der dadurch entstehende Druckunterschied nach Bemodli-Prinzip zwingt die Flüssigkeit in dem Röhrchen hochzusteigen und in die Gasströmung zu fließen.This is followed by the description of one of the possible known constructions of the atomizer, which allows the atomization of a liquid in the gas stream solely by the energy of this stream. This device contains at least one narrow tube, one end of which is in the gas stream and the other end is in the liquid, which has a free area. This free surface of the liquid borders with the gas that is either resting with respect to this liquid or moves opposite it at a lower speed than the speed of the gas flow with respect to the second tube end of the atomizer. The resulting pressure difference based on the Bemodli principle forces the liquid to rise in the tube and flow into the gas flow.
Die Rückgewinnung der Flüssigkeit in dem Wärmerohr erfolgt anhand einer Transportzone, die durch einen hintereinander liegenden schmalen und einen breiten Abschnitt zustande kommt. Dabei wird das Röhrchen des Zerstäubers in den schmalen Abschnitt, und der Körper für den Abfang geladener Tropfen in den breiten Abschnitt eingesetzt. Dabei tritt die freie Oberfläche der Flüssigkeit, die sich aus der diskreten Tropfenform in die kontinuierliche flüssige Form sammelt, mit dem Gas in dem breiten Teil des Stromes in Verbindung ein.The liquid in the heat pipe is recovered using a transport zone, which is created by a narrow and a wide section located one behind the other. The atomizer tube is inserted into the narrow section and the body for trapping charged drops into the wide section. The free surface of the liquid, which collects from the discrete droplet form into the continuous liquid form, comes into contact with the gas in the broad part of the stream.
Theoretisch kann statt der Tropfen der Flüssigkeit auch das Pulver in allen erwähnten Varianten der Durchiuhrung des Verfahrens verwendet werden. Dies ist jedoch weniger bequem wegen der Probleme mit der Organisation des Rückgewinnungskreises.In theory, instead of the drops of the liquid, the powder can also be used in all of the variants of carrying out the method mentioned. However, this is less convenient because of the problems with the organization of the recovery circuit.
Fig. 6 b) zeigt ein mögliches Vektordiagramm für einen Tropfenkonverter mit der Umwandlung nach dem elektrostatischen Generationsprinzip. Hier J - Fluß der Gasströmung, U - elektrische Spannung.6 b) shows a possible vector diagram for a drop converter with the conversion according to the electrostatic generation principle. Here J - flow of gas flow, U - electrical voltage.
Die Durchführung des Verfahrens nach dem elektrostatischen Generationsprinzip erfolgt durch die Verwendung der Flüssigkeitspartikeln (zerstäubte Flüssigkeit) als eines der Arbeitskörper: Dabei werden Ladungen von den Arbeitskörpern wie in einem gewöhnlichen elektrostatischen Generator durch das Aneinanderreihen oder -stoßen dieser Arbeitskörper getrennt, oder auch in dem man die Ladungen in den Arbeitskörpern durch die elektrostatische Induktion auflädt, wonach die auf diese Weise geladene Körper sich im Raum voneinander entfernen. Die in den gewöhnlichen elektrostatischen Generatoren erzeugte elektrische Spannung (z. B. , in dem Van-de-Graaff-Generator) erreicht einige Mio. Volt. Jedoch die Ausgangsleistung der bekannten Geräte ist deshalb so gering, weil die Geschwindigkeit der .Ladungsübertragung durch die Geschwindigkeit der Bewegung der mechanischen Systemteile, und durch die Fläche der Oberfläche des festen Arbeitskörpers - des Ladungstransporters - begrenzt wird. Bei Verwirklichung des Verfahrens nach den angemeldeten Ansprüchen werden die Flüssigkeitspartikeln z. B. anhand eines Zerstäubers in die Gasströmung emgeführt. Der o. g. flüssige Arbeitskörper wird elektrisch durch die Reibung oder Zusammenstöße mit einem anderen festen oder flüssigen Arbeitsköφer aufgeladen. Im ersten Fall (Reibung) wird der andere Arbeitsköφer an dem Düsenausgang des Zerstäubers plaziert. Im zweiten Fall (Zusammenstöße) wird der andere Arbeitskδφer, z. B. in Form einer Stabreihe oder eines Netzes, in der Gasströmung in den Weg der Flüssigkeitspartikeln plaziert. Das Voneinandertrennen der Ladungen der Arbeitskörper, und die Entfernung der geladenen Flüssigkeitspartikeln von dem anderen Arbeitskörper, erfolgt anhand der Energie der Gasströmung. Dabei: a) Die Summenfläche der Oberflächen der Flüssigkeitspartikeln ist erheblich größer all die Fläche der Oberfläche des festen Ladungstransporters (z. B. Bändern in gewöhnlichen elektrostatischen Generatoren; b) In der Einrichtung fehlen mechanisch bewegliche Bauteile, die die Geschwindigkeit der Ladungsübertragung begrenzen würden. Damit werden die beiden Ursachen der Leistungsbegrenzung, die in den existierenden elektrostatischen Generatoren vorhanden sind, durch das angebotene Verfahren und Einrichtung aufgehoben. Es existiert ebenfalls eine Variante der Verfahrensverwirklichung, bei; der die Energie der Gasströmung in die elektrische Energie durch eine Kombination des MHD-Generationsprinzips und des elektrostatischen Generationsprinzips erfolgt. Dabei erfolgen alle Schritte der Verfahrensverwirklichung in Analogie zu dem, wie dies bereits für den Tropfenkonverter mit der Umwandlung nach dem elektrostatischen Generationsprinzips beschrieben wurde. Die Bewegung der geladenen Flüssigkeitspartikeln erfolgt jedoch in einem Magnetfeld, wobei die Kraftliniert dieses Magnetfeldes B (magnetische Flußdichte) kreuzen den Vektor des Flusses der Gasströmung J unter einem Winkel ungleich 0. Es ist offensichtlich, daß in den Rahmen der präsentierten Ansprüche die Umwandlung der Energie nach dem MHD- Generationsprinzip und dem elektrostatischen Generationsprinzip mit einem verallgemeinernden mathematischen Modell mit Grenzfällen, gezeigt z. B. in Fig. 4 und 5, umschrieben wird. D. h. im Falle eines "reinen" elektrostatischen Generators konnte man meinen, daß die Vektoren B und J kollinear sind, d. h. die Vektorrichtung der magnetischen FI ußdichte ist der Vektorrichtung der Gasströmung parallel.The process according to the electrostatic generation principle is carried out by using the liquid particles (atomized liquid) as one of the working bodies: charges are separated from the working bodies as in an ordinary electrostatic generator by stringing or bumping these working bodies together, or in which one charges the charges in the working bodies by means of electrostatic induction, after which the bodies charged in this way move away from one another in the room. The electrical voltage generated in the usual electrostatic generators (e.g., in the Van de Graaff generator) reaches a few million volts. However, the output power of the known devices is so low because the speed of the charge transfer is limited by the speed of the movement of the mechanical system parts and by the area of the surface of the solid working body - the charge transporter. When realizing the method according to the claimed claims, the liquid particles, for. B. emitted into the gas flow using an atomizer. The above-mentioned liquid working body is electrically charged by the friction or collisions with another solid or liquid working body. In the first case (friction) the other working body is placed at the nozzle outlet of the atomizer. In the second case (collisions) the other Arbeitsδδφer, z. B. in the form of a row of rods or a network, placed in the gas flow in the path of the liquid particles. The separation of the charges of the working bodies and the removal of the charged liquid particles from the other working body takes place on the basis of the energy of the gas flow. Here: a) The total area of the surfaces of the liquid particles is considerably larger than all the area of the surface of the fixed charge transporters (e.g. belts in ordinary electrostatic generators; b) The device lacks mechanically movable components which would limit the speed of charge transfer. This eliminates the two causes of the power limitation that exist in the existing electrostatic generators by the offered method and device. There is also a variant of the method implementation, at; which is the energy of the gas flow into the electrical energy through a combination of the MHD generation principle and the electrostatic generation principle. All steps of the process implementation take place in analogy to what has already been described for the drop converter with the conversion according to the electrostatic generation principle. However, the movement of the charged liquid particles takes place in a magnetic field, the force lines of this magnetic field B (magnetic flux density) crossing the vector of the flow of the gas flow J at an angle unequal to 0. It is obvious that within the scope of the presented claims the conversion of the energy according to the MHD generation principle and the electrostatic generation principle with a generalized mathematical model with borderline cases, shown e.g. 4 and 5. That is, in the case of a "pure" electrostatic generator, one could think that the vectors B and J are collinear, ie the vector direction of the magnetic flux density is parallel to the vector direction of the gas flow.
Fig.7 Zeigt ein schematisches Bild der Realisierung des Verfahrens mit der Plazierung des Energieumwandlers 26 unter dem Wasser bzw. unter der Erdoberfläche im Grundwasser (a); auf der Wasseroberfläche ohne die Nutzung des Strahlungsleiters (b); und in kosmischen Apparaten (c);7 shows a schematic image of the implementation of the method with the placement of the energy converter 26 under the water or under the surface of the earth in the ground water (a); on the water surface without using the radiation guide (b); and in cosmic apparatus (c);
Im Fall (a) wird die Erhöhung der Ausgangsleistung durch die Erhöhung des Temperaturgefälles zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator des Wärmerohres dadurch erreicht, dass der Umwandler 26, d.h. der Kondensator und der Verdampfer werden an einen Ort plaziert, wo der Kondensator einfach zu kühlen ist (z.B. im ozeanischen Tiefwasser oder im Bodenwasser unter der Erde in einem Bohrloch), und die Sonnenenergie 10, bzw. die Strahlungsenergie aus anderer Quelle, wird zum Verdampfer durch einen Strahlungsleiter 25 geleitet, der in diesem Fall langgestreckt ist. Dieses Prinzip kann natürlich auch für die Zuleitung der Energie nicht nur zum Wärmerohr-ύmwandler genutzt werden, sondern auch für die Speisung eines beliebigen Sonnen- bzw. strahlungsangetriebenen Umwandlers.In case (a), the increase in output power is achieved by increasing the temperature differential between the evaporator and the condenser of the heat pipe by having the converter 26, i.e. the condenser and the evaporator are placed in a location where the condenser is easy to cool (e.g. in deep ocean water or in underground water in a borehole), and solar energy 10, or radiation energy from another source, becomes the evaporator passed through a radiation conductor 25, which in this case is elongated. This principle can of course also be used not only for supplying the energy to the heat pipe converter, but also for supplying any solar or radiation-driven converter.
Fig. 8 zeigt eine mpgliche Variante der Verwendung des Verfahrens für die Utilisierung der Industrieabwärme, die im Strom 22 eines bestimmten Gases oder einer Flüssigkeit enthalten ist. In diesem Fall wird der Verdampfer 4 des Wärmerohres in diesem Strom 22 plaziert, und der Kondensator 5 außerhalb dieses Stroms im thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel 23. Oder aber wird der gesamte Wärmerohr-Energieumwandler außerhalb des o.g. Stroms plaziert, und die Energie dieses Stroms wird zum Verdampfer des Wärmerohres mit Hilfe eines bestimmten Wärmetauschers zugeleitet. 8 shows a possible variant of the use of the method for utilizing the industrial waste heat contained in the stream 22 of a particular gas or liquid. In this case, the evaporator 4 of the heat pipe is placed in this stream 22, and the condenser 5 outside of this stream in thermal contact with the coolant 23. Or else, the entire heat pipe energy converter is outside the above. Electricity is placed, and the energy of this current is supplied to the evaporator of the heat pipe using a specific heat exchanger.
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