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PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (1, 2, 3) zur Erzeugung eines veränderbaren Magnetfeldes innerhalb eines Luftspaltes, einen im wesentlichen innerhalb des Luftspaltes angeordneten und durch die Wärmeenergie auf seine Curie-Temperatur heizbaren Körper (7) aus ferromagnetischem Material, mindestens eine, auf diesen Körper (7) gewickelte Spule (6), an deren Anschlüssen die elektrische Energie abgreifbar ist und eine Schaltanordnung, zur Begrenzung der Temperatur des veränderbaren Magnetfeldes.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines veränderbaren Magnetfeldes einen Permanentmagneten (1) und je eine in dessen Polbereichen (4, 5) angeordnete und durch die Schaltanordnung an eine Spannung anlegbare Magnetspule (2, 3) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung eine Gleichrichteranordnung (12) und eine Batterie (13) zur Speicherung der elektrischen Energie aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung zur Einschaltung und Ausschaltung des Stromes für die Magnetspulen (2, 3) in Abhängigkeit vom in der Spule (6) induzierten Strom ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung einen Temperaturfühler, welcher die Temperatur des Körpers (7) erfasst und eine Vorrichtung zur Steuerung der Wärmezufuhr zum Körper (7) aufweist.
6. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7) durch das Magnetfeld magnetisiert wird und darauffolgend durch die Wärmequelle bis zu seiner Curie-Temperatur aufgeheizt und auf dieser Temperatur gehalten wird, der dabei durch Abnahme des magnetischen Flusses durch die Spule (6) darin induzierte erste Strom eine Erhöhung der durch die Einrichtung zur Erzeugung eines veränderbaren Magnetfeldes erzeugten Feldstärke und dadurch die erneute Magnetisierung des Körpers (7) bewirkt, der dabei durch Zunahme des Flusses in der Spule (6) induzierte zweite Strom eine Abnahme der durch die Einrichtung erzeugten Feldstärke bewirkt, was mit der Wärmezufuhr zur Erhaltung der Curie-Temperatur des Körpers (7) zur erneuten Abnahme des Flusses und zur Induzierung des ersten Stromes führt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
Zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie sind thermoelektrische Elemente bekannt, beruhend auf dem Seebeck-Effekt (Lueger, Lexikon der Technik, Bd. 7, Stuttgart 1965, S. 292). Der mit thermoelektrischen Elementen erreichbare Wirkungsgrad von gegen 15% ist z.B. vergleichbar dem Wirkungsgrad photovoltaischer Zellen (Solarzellen), welche Strahlungsenergie im Frequenzbereich um das sichtbare Licht in elektrische Energie umwandeln.
Zur Erzielung eines die sinnvolle Nutzung im Energiebereich erlaubenden Wirkungsgrades bei Thermoelementen sind allerdings sehr teure Legierungen, wie z.B. Bi2Te2 vonnöten, was eine wirtschaftliche Anwendung der an sich wünschbaren direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie zur Zeit ausschliesst. Ferner ist der Temperaturbereich in dem diese Thermoelemente einsetzbar sind beschränkt, da sie Temperaturen über 4500K nicht dauernd standhalten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Wärme in Elektrizität zu schaffen,welche die obenerwähnten Nachteile in vermindertem Mass aufweist und bei der insbesondere keine teuren Werkstoffe benötigt werden.
Dies wird erreicht durch eine Vorrichtung, welche gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines veränderbaren Magnetfeldes innerhalb eines Luftspaltes, einen im wesentlichen innerhalb des Luftspaltes angeordneten und durch die Wärmeenergie auf seine Curie-Temperatur heizbaren Körper aus ferromagnetischem Material, mindestens eine, auf diesen Körper gewickelte Spule, an deren Anschlüsse die elektrische Energie abgreifbar ist und eine Schaltanordnung, zur Begrenzung der Temperatur des Körpers und zur Steuerung des veränderbaren Magnetfeldes.
Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung gezeigt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Körper durch das Magnetfeld magnetisiert wird und darauffolgend durch die Wärmequelle bis zu seiner Curie-Temperatur aufgeheizt und auf dieser Temperatur gehalten wird, der dabei durch Abnahme des magnetischen Flusses durch die Spule darin induzierte erste Strom eine Erhöhung der durch die Einrichtung zur Erzeugung eines veränderbaren Magnetfeldes erzeugten Feldstärke und dadurch die erneute Magnetisierung des Körpers bewirkt, der dabei durch Zunahme des Flusses in der Spule induzierte zweite Strom eine Abnahme der durch die Einrichtung erzeugten Feldstärke bewirkt, was mit der Wärmezufuhr zur Erhaltung der Curie-Temperatur des Körpers zur erneuten Abnahme des Flusses und zur Induzierung des ersten Stromes führt.
Bei der auf der sogenannten Curie-Temperatur, bei welcher sich ein ferromagnetischer Werkstoff in einen paramagnetischen umwandelt, beruhenden Vorrichtung können handelsübliche Werkstoffe verwendet werden, was die Möglichkeit ergibt, eine kostengünstige Vorrichtung zu schaffen. Damit kann ein Betrieb auch bei geringem Wirkungsgrad wirtschaftlich sein.
Die grossen Unterschiede der Curie-Temperaturen verschiedener Werkstoffe erlauben eine Anpassung der Vorrichtung an viele Wärmequellen.
In der Folge werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 2 ein Prinzipschema der Schaltanordnung von Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Der Magnet 1 erzeugt im Luftspalt zwischen seinen Polen 4 und 5 ein Magnetfeld. Auf den Polen 4 und 5 sind zusätzlich die Magnetspulen 2 und 3 angeordnet, welche derart geschaltet sind, dass bei Erregung derselben eine Erhöhung der Feldstärke im Luftspalt bewirkt wird. Im Luftspalt des Magneten 1 angeordnet ist der Körper 7 aus ferromagnetischem Material. Dieser sollte den Luftspalt möglichst ausfüllen, um den magnetischen Widerstand des magnetischen Körpers gering zu halten, andererseits sollte zwischen jedem Pol 4 und 5 und dem Körper ein Luftspalt verbleiben, um die Wärmeübertragung vom Körper 7 auf den Magnet 1 gering zu halten. Der Körper 7 ist mit einer Spule 6 bewickelt, welche in die Teilspulen 6a und 6b aufgeteilt ist, um die ungehinderte Wärmezufuhr in der Mittenzone des Körpers zu ermöglichen.
Erfolgt diese Wärmezufuhr z.B. bei einem rohrförmigen Hohlkörper durch das Innere, so kann die Spule natürlich auch ohne Aufteilung in Teilspulen gewickelt werden. Die Aufheizung des Körpers 7 auf die Curie-Temperatur erfolgt mittels der schematisch dargestellten Wärmequelle 8. Die Temperatur des Körpers wird mittels eines Temperaturfühlers 9 erfasst und als elektrisches Signal über eine Leitung an die Schaltanordnung 10 gegeben. Die Wärmequelle 8 ist ihrerseits durch die Schaltanordnung 10 steuerbar, wodurch ein Regelkreis gebildet wird, mittels dem die Temperatur des Körpers auf gewünschtem Niveau gehalten wer
den kann. Die auf den Körper 7 gewickelte Spule 6 ist über einen Gleichrichter 12 an eine Batterie 13 angeschlossen, welche zur Speicherung der erzeugten elektrischen Energie dient. Die Schaltanordnung 10 steuert weiterhin den Schalter 11, über den der die Magnetspulen 2, 3 erregende Strom fliesst. Dieser wird, wie die Speisung der Schaltanordnung bei der gezeigten Ausführungsform, der Speicherbatterie 13 entnommen, könnte aber auch aus einer anderen Stromquelle, z.B. aus photovoltaischen Zellen entnommen werden. Die Schaltanordnung 10 kann z.B. auch den Ladezustand der Batterie 13 überwachen und die Vorrichtung demgemäss steuern.
Die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie mittels der Vorrichtung beruht auf dem Effekt, dass ein ferromagnetischer Werkstoff bei der Curie-Temperatur, welche z.B.
für Eisen 7680C, für Nickel 3600C beträgt, sich in einem paramagnetischen Werkstoff umwandelt. Im kalten Zustand ist der Körper 7 durch das Magnetfeld des Magneten 1 magnetisiert und der Fluss durch die Spule 6 ist konstant. Durch Erwärmung des Körpers 7 verschwindet dessen Magnetisierung bei der Curie-Temperatur, was eine Änderung des die Spule 6 durchsetzenden Flusses bewirkt und damit eine Spannung bzw.
einen Strom in der Spule 6 induziert. Dieser Stromfluss in die Batterie erhöht deren Ladezustand. Der Magnet 1, welcher über die Luftspalte thermisch vom Körper 7 isoliert ist und zur Verhinderung einer Temperaturerhöhung passiv oder aktiv gekühlt werden kann, behält sein Magnetfeld bei. Durch den induzierten Strom in der Spule 6 wird die Schaltanordnung angesteuert, welche ihrerseits den Schalter 11 betätigt und damit die Magnetspulen 2, 3 erregt. Das dadurch betragsmässig erhöhte Magnetfeld, zusammengesetzt aus jenem des Magneten 1 und der Magnetspulen 2, 3, vermag den Körper 7 trotz der Curie-Temperatur, zu magnetisieren, d.h. die Elementarmagnete im Körper 7 werden ausgerichtet.
Die Erhöhung des Magnetfeldes, sowohl durch die Magnetspulen 2, 3, als auch durch die Ausrichtung der Elementarmagnete im Körper 7, bewirkt wiederum einen in der Spule 6 induzierten Strom, welcher der Batterie 13 zugeführt wird. Abgesehen von Konversionsverlusten, wird dadurch die zur Erregung der Magnetspulen 2,3 der Batterie entnommene Energie wieder an die Batterie abgegeben. Der induzierte Stromstoss wird von der Schaltanordnung als Steuersignal erkannt und führt zur Abschaltung der Magnetspulen 2, 3 mittels des Schalters 11. Bei der Magnetisierung des Körpers 7 werden seine Elementarmagnete und damit seine Moleküle wieder mehr oder minder parallel ausgerichtet. Sie verlieren dadurch einen Teil ihrer Bewegungsenergie und da molekulare Bewegung und Temperatur identisch sind, sinkt die Temperatur des Körpers 7 bei der Magnetisierung unter den Curie-Punkt.
Um die Curie-Temperatur wieder zu erreichen, muss der Körper 7 von der Wärmequelle 8 wieder aufgeheizt werden. Dies ist der eigentliche Umwandlungsprozess von Wärme in elektrische Energie. Durch die Wärmezufuhr zur Erhaltung der Curie Temperatur wird die Ausrichtung der Elementarmagnete im Körper 7, trotz des verbleibenden Magnetfeldes vom Magnet 1, zerstört und der die Spule 6 durchsetzende Fluss nimmt ab, was wieder einen Strom induziert, welcher einerseits in der Batterie 13 gespeichert wird und andererseits die erneute Erregung der Magnetspulen 2, 3 und die Ausrichtung der Elementarmagnete bewirkt, welche nach Abschaltung der Magnetspulen 2, 3 wieder durch die Wärme zerstört wird. Die Vorrichtung wechselt also nach Erreichen der Curie-Temperatur und unter Wärmezufuhr zur Aufrechterhaltung derselben ständig ihren Zustand und erzeugt dabei einen Wechselstrom.
Nach Gleichrichtung desselben erfolgt die Stromabnahme für Nutzungszwecke an den Polen der Batterie 13.
Fig. 2 zeigt ein einfaches Schaltschema für die Schaltanordnung.
Für die Schaltanordnung können handelsübliche Bauelemente in Standardschaltungen verwendet werden, so z.B. ein Komparator 15, dessen Eingänge mit einer ersten Spannung vom Temperaturfühler 9 und mit einer zweiten einstellbaren Spannung belegt sind. Diese wird in der Darstellung durch einen Spannungsteiler mit zwei Widerständen gebildet. Der Komparatorausgang steuert dann die Wärmequelle 8 z.B. über ein Regulierventil oder eine Strahlenblende. Als Schalter 11 kann z.B. ein Schalttransistor eingesetzt werden. Um den Energieverbrauch der Schaltanordnung möglichst gering zu halten, können dabei z.B. integrierte Schaltungen in CMOS-Technik und ein Feldeffektschalttransistor eingesetzt werden.
Durch die Wahl des Werkstoffes für den Körper 7 ist die Curie-Temperatur und damit der Arbeitspunkt der Vorrichtung in einem weiten Bereich wählbar. Besonders vorteilhaft erscheint der Gebrauch der Vorrichtung überall wo Abwärme anfällt, die bisher wirtschaftlich nicht nutzbar war. Werden z. B.
Solarzellenfelder gekühlt, so kann die Vorrichtung die Abwärme nutzbar machen und die Elektrizität an die bei Solarzellenanlagen bereits vorhandene Pufferbatterie abgeben.
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PATENT CLAIMS
1. Device for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, characterized by a device (1, 2, 3) for generating a changeable magnetic field within an air gap, a body essentially arranged within the air gap and heatable to its Curie temperature by the thermal energy (7) made of ferromagnetic material, at least one coil (6) wound on this body (7), at the connections of which the electrical energy can be tapped and a switching arrangement for limiting the temperature of the changeable magnetic field.
2. Device according to claim 1, characterized in that the device for generating a changeable magnetic field has a permanent magnet (1) and one in each of its pole areas (4, 5) and arranged by the switching arrangement to a voltage magnetic coil (2, 3) .
3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the switching arrangement has a rectifier arrangement (12) and a battery (13) for storing the electrical energy.
4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the switching arrangement for switching on and off the current for the magnet coils (2, 3) is designed as a function of the current induced in the coil (6).
5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching arrangement has a temperature sensor which detects the temperature of the body (7) and a device for controlling the heat supply to the body (7).
6. The method for operating the device according to claim 1, characterized in that the body (7) is magnetized by the magnetic field and then heated by the heat source up to its Curie temperature and kept at this temperature, which by decreasing the magnetic Flux through the coil (6) induced therein first current increases the field strength generated by the device for generating a variable magnetic field and thereby causes the magnetization of the body (7) again, the second induced by increasing the flux in the coil (6) Current causes a decrease in the field strength generated by the device, which, with the supply of heat to maintain the Curie temperature of the body (7), leads to a further decrease in the flow and to the induction of the first current.
The invention relates to a device for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, and a method for its operation.
Thermoelectric elements are known for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, based on the Seebeck effect (Lueger, Lexikon der Technik, Vol. 7, Stuttgart 1965, p. 292). The efficiency of around 15% that can be achieved with thermoelectric elements is e.g. comparable to the efficiency of photovoltaic cells (solar cells), which convert radiation energy in the frequency range around the visible light into electrical energy.
However, very expensive alloys such as e.g. Bi2Te2 is required, which currently precludes an economical application of the desired direct conversion of heat into electrical energy. Furthermore, the temperature range in which these thermocouples can be used is limited because they do not withstand temperatures above 4500K all the time.
The invention is therefore based on the object of providing a device for the direct conversion of heat into electricity, which has the above-mentioned disadvantages to a reduced extent and in which, in particular, no expensive materials are required.
This is achieved by a device which is characterized by a device for generating a changeable magnetic field within an air gap, a body made of ferromagnetic material, at least one on this body, which is arranged essentially within the air gap and can be heated to its Curie temperature by the thermal energy wound coil, at the terminals of which the electrical energy can be tapped and a switching arrangement for limiting the temperature of the body and for controlling the variable magnetic field.
Furthermore, a method for operating the device is shown, which is characterized in that the body is magnetized by the magnetic field and is subsequently heated up to its Curie temperature by the heat source and is kept at this temperature by the decrease in the magnetic flux the coil induced therein first current causes an increase in the field strength generated by the device for generating a changeable magnetic field and thereby the magnetization of the body again, the second current induced by the increase in the flux in the coil causing a decrease in the field strength generated by the device, which with the supply of heat leads to the maintenance of the Curie temperature of the body, to a further decrease in the flow and to the induction of the first current.
In the device based on the so-called Curie temperature, at which a ferromagnetic material converts into a paramagnetic, commercially available materials can be used, which gives the possibility of creating an inexpensive device. This means that operation can be economical even with low efficiency.
The large differences in the Curie temperatures of different materials allow the device to be adapted to many heat sources.
In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the figures. In it show:
1 shows a schematic representation of a device according to the invention,
FIG. 2 shows a basic diagram of the switching arrangement from FIG. 1.
In Fig. 1 an embodiment of the invention is shown schematically. The magnet 1 generates a magnetic field in the air gap between its poles 4 and 5. Magnetic coils 2 and 3 are additionally arranged on poles 4 and 5, which are connected in such a way that when the same is excited, an increase in the field strength in the air gap is brought about. The body 7 made of ferromagnetic material is arranged in the air gap of the magnet 1. This should fill the air gap as much as possible to keep the magnetic resistance of the magnetic body low, on the other hand an air gap should remain between each pole 4 and 5 and the body in order to keep the heat transfer from the body 7 to the magnet 1 low. The body 7 is wound with a coil 6, which is divided into the sub-coils 6a and 6b in order to enable the unimpeded supply of heat in the central zone of the body.
If this heat is applied e.g. in the case of a tubular hollow body through the interior, the coil can of course also be wound without division into partial coils. The body 7 is heated to the Curie temperature by means of the schematically illustrated heat source 8. The temperature of the body is detected by means of a temperature sensor 9 and given to the switching arrangement 10 as an electrical signal via a line. The heat source 8 is in turn controllable by the switching arrangement 10, whereby a control loop is formed by means of which the temperature of the body is kept at the desired level
that can. The coil 6 wound on the body 7 is connected via a rectifier 12 to a battery 13 which is used to store the electrical energy generated. The switching arrangement 10 also controls the switch 11, via which the current which excites the magnet coils 2, 3 flows. Like the supply of the switching arrangement in the embodiment shown, this is taken from the storage battery 13, but could also be from another power source, e.g. can be taken from photovoltaic cells. The switching arrangement 10 can e.g. also monitor the state of charge of the battery 13 and control the device accordingly.
The conversion of thermal energy into electrical energy by means of the device is based on the effect that a ferromagnetic material at the Curie temperature, which e.g.
for iron is 7680C, for nickel is 3600C, transforms into a paramagnetic material. In the cold state, the body 7 is magnetized by the magnetic field of the magnet 1 and the flux through the coil 6 is constant. By heating the body 7, its magnetization disappears at the Curie temperature, which causes a change in the flux passing through the coil 6 and thus a voltage or
induces a current in the coil 6. This current flow into the battery increases its state of charge. The magnet 1, which is thermally insulated from the body 7 via the air gaps and can be passively or actively cooled to prevent an increase in temperature, maintains its magnetic field. The switching arrangement is actuated by the induced current in the coil 6, which in turn actuates the switch 11 and thus excites the magnet coils 2, 3. The resulting increased magnetic field, composed of that of the magnet 1 and the magnet coils 2, 3, is able to magnetize the body 7 despite the Curie temperature, i.e. the elementary magnets in the body 7 are aligned.
The increase in the magnetic field, both through the magnetic coils 2, 3 and through the alignment of the elementary magnets in the body 7, in turn causes a current induced in the coil 6, which is supplied to the battery 13. Apart from conversion losses, the energy taken to excite the magnetic coils 2, 3 from the battery is thereby released back to the battery. The induced current surge is recognized by the switching arrangement as a control signal and leads to the magnetic coils 2, 3 being switched off by means of the switch 11. When the body 7 is magnetized, its elementary magnets and thus its molecules are again aligned more or less in parallel. As a result, they lose part of their kinetic energy and since molecular movement and temperature are identical, the temperature of the body 7 drops below the Curie point during magnetization.
In order to reach the Curie temperature again, the body 7 must be heated up again by the heat source 8. This is the actual process of converting heat into electrical energy. By supplying heat to maintain the Curie temperature, the orientation of the elementary magnets in the body 7, despite the remaining magnetic field from the magnet 1, is destroyed and the flux passing through the coil 6 decreases, which again induces a current, which is stored on the one hand in the battery 13 and on the other hand, the renewed excitation of the magnet coils 2, 3 and the alignment of the elementary magnets, which is destroyed again by the heat after the magnet coils 2, 3 are switched off. The device therefore constantly changes its state after the Curie temperature has been reached and with the supply of heat in order to maintain it, thereby generating an alternating current.
After rectification of the same, the current is drawn for use at the poles of the battery 13.
Fig. 2 shows a simple circuit diagram for the switching arrangement.
Commercially available components in standard circuits can be used for the switching arrangement, e.g. a comparator 15, the inputs of which are assigned a first voltage from the temperature sensor 9 and a second adjustable voltage. In the illustration, this is formed by a voltage divider with two resistors. The comparator output then controls the heat source 8 e.g. via a regulating valve or a radiation shield. As switch 11 e.g. a switching transistor can be used. In order to keep the energy consumption of the switching arrangement as low as possible, e.g. integrated circuits in CMOS technology and a field effect switching transistor are used.
The Curie temperature and thus the operating point of the device can be selected in a wide range by the choice of the material for the body 7. The use of the device appears to be particularly advantageous wherever waste heat is generated which was previously not economically usable. Are z. B.
Cooled solar cell fields, the device can make the waste heat usable and deliver the electricity to the buffer battery already present in solar cell systems.