BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie.
Bei bekannten Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in Elektrizität wird ein Medium verdampft und die im Dampf enthaltene Energie zum Antrieb eines Generators verwendet. Solche Anlagen sind aber maschinenbautechnisch aufwendig (Turbine, Generator) und demzufolge teuer und benötigen in der Regel hochwertige Wärmeenergie, d.h. hohe Temperaturen.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie zu schaffen, welche mechanisch einfach und damit kostengünstig herstellbar ist.
Dies wird erfindungsgemäss erreicht durch ein mit einem fliessfähigen elektrisch leitenden Medium gefülltes, einen geschlossenen Kreislauf für das Medium bildendes Gehäuse, welches einen Wärmeeinwirkungsbereich und einen Kühlbereich aufweist, wobei durch Erwärmung des Wärmeeinwirkungsbereichs eine zirkulierende Konvektionsströmung des Mediums erzielbar ist, mindestens eine Anordnung zur Erzeugung eines das Medium durchsetzenden Magnetfeldes und mindestens eine Elektrodenanordnung mit mindestens zwei, gemäss der Dreifingerregel im Medium im Bereich der Magnetfeldanordnung angeordneten Elektroden, zur Abnahme der elektrischen Nutzspannung.
Da die Vorrichtung einfach und im wesentlichen ohne bewegliche Teile aufgebaut ist, kann ihr Einsatz auch bei nur geringem Wirkungsgrad wirtschaftlich sein. Da das Medium nur durch Konvektion bewegt wird, ist keine hohe Temperatur der Wärmequelle erforderlich.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht der Vorrichtung, und
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsart der Vorrichtung.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Gehäuse 1 bildet einen Zirkulationsweg für das im Gehäuse 1 befindliche elektrisch leitende Medium. Dabei kann es sich z.B. um Quecksilber oder um eine gesättigte Salzlösung handeln. Das Medium wird dabei durch eine, nur symbolisch mit einem Flammensymbol dargestellte Wärmequelle 4 durch Konvektion im Gehäuse 1 zirkuliert. Im dargestellten Beispiel sorgt ein als Klappe ausgebildetes Rückschlagventil 6 dafür, dass sich eine eindeutige Zirkulationsrichtung in Richtung des dargestellten Pfeils ergibt.
Das erwärmte Medium steigt dabei vom Wärmeeinwirkungsbereich 2 des Gehäuses 1 her auf und fliesst durch den Kühlbereich 3 durch das Rückschlagventil 6 zurück in den Wärmeeinwirkungsbereich. Mittels eines Temperatursensors 5 wird die Temperatur des Mediums im Wärmeeinwirkungsbereich erfasst, was die Regelung der Wärmezufuhr erlaubt. Das Medium kann durch die Wärmequelle auch soweit erhitzt werden, dass es im Wärmeeinwirkungsbereich verdampft, vorausgesetzt, dass das Medium auch im gasförmigen Zustand ein Leiter ist. Im Kühlbereich findet dann ausschliesslich eine Kondensation des Mediums statt.
Das durch die Wärmequelle im Fluss gehaltene Medium passiert ein durch die Pole 7, 8 eines oder mehrerer Permanentmagnete erzeugtes Magnetfeld. Dabei ergibt sich gemäss Induktionsgesetz und Dreifingerregel (Lenz'sche Regel) eine Verschiebung der Ladungsträger des bewegten Leiters, d.h. des Mediums, was seinerseits eine Spannungsdifferenz an den Elektroden 11 und 12 hervorruft. Die Elektroden sind derart im Gehäuse angeordnet, dass die abgelenkten freien Ladungsträger des Mediums einen Potentialunterschied an den Elektroden bewirken. In der schematischen Ansicht ist die eine Elektrode 11 durch die andere Elektrode 12 verdeckt. Zur besseren Darstellung ist deshalb die Elektrode 11 kleiner und strichliniert dargestellt. An den Elektroden 11 und 12 ist demgemäss ein Nutzstrom entsprechend der induzierten Spannung abnehmbar.
Beim Durchfliessen des Magnetfeldes wird das Medium entsprechend der der Vorrichtung als elektrische Energie entzogenen Energie gebremst. Wenn der Konvektionsfluss genügend stark ist, können weitere Magnetfelder und Elektroden entlang des Zirkulationswegs des Mediums angeordnet werden. Um eine genügende Abkühlung des Mediums im Kühlbereich 3 zu erzielen, kann dieser z.B. mit Kühlrippen zur Luftkühlung versehen werden.
Das Gehäuse 1 wird zweckmässigerweise in mehrere Abschnitte unterteilt. Bei einer Ausführungsform z.B. besteht der Wärmeeinwirkungsbereich 2 des Gehäuses 1 aus einem gut wärmeleitenden, metallischen Werkstoff wie z.B. Kupfer. Der Rest des Gehäuses kann dann z.B. aus Stahl bestehen, wobei dieser auf der Gehäuseinnenseite mit einem elektrisch nichtleitenden Überzug, z.B. aus Emaille, versehen ist um ein Kurzschliessen der erzeugten Spannung über das Gehäuse zu vermeiden. Die Verbindung an den Gehäuseabschnitten ist so zu gestalten, dass der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Materialien mit den üblichen fachmännischen Massnahmen Rechnung getragen wird.
Wird das Gehäuse im Bereich der magnetischen Pole aus Stahl ausgeführt, so sollten die Pole durch Gehäuseaussparungen in das Medium hineinragen und gegen das Gehäusematerial isoliert sein, um sicherzustellen, dass die magnetischen Feldlinien im wesentlichen durch das Medium und nicht durch die Gehäusewandung verlaufen. Daher sollte vorzugsweise das Gehäuse im Stromerzeugungsbereich aus diamagnetischem Material bestehen.
Bei der in Fig. 2 gezeigten perspektivischen Teilansicht der Vorrichtung bilden die Elektroden 11, 12 zugleich die Seiten: wände des gezeigten Gehäuseabschnitts. Auf den Polen der teilweise dargestellten Permanentmagnete 7, 8 sind Spulen 9, 10 vorgesehen, mittels denen das das Medikum durchsetzende Magnetfeld verstärkt werden kann. Der Pfeil gibt die Strömungsrichtung des Mediums an.
Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsart. Dabei wird das Medium verdampft und passiert die mehrere Magnetfeldanordnungen 7, 8; 14, 15; 16, 17 durch einen verengten Gehäuseabschnitt in dem die Geschwindigkeit des Mediums erhöht ist. Die Elektroden bei den einzelnen Magnetfeldanordnungen sind in dieser Zeichnung der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt, ihre Anordnung erfolgt aber wie bei den vorgehend gezeigten Ausführungsarten.
Neben den Elektroden zur Abnahme der Nutzspannung können weitere Elektroden vorgesehen sein, mit denen ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches die Ansammlung von Ladungsträgern auf den Nutzelektroden (sog. Space-charge) verhindert. Die zusätzlichen Elektroden müssen hinter den Stromabnahme-Elektroden 11, 12 angeordnet und gegen diese isoliert sein. Sie tragen eine den Elektroden 11, 12 entgegengesetzte Ladung.
DESCRIPTION
The invention relates to a device for converting thermal energy into electrical energy.
In known devices for converting thermal energy into electricity, a medium is evaporated and the energy contained in the steam is used to drive a generator. However, such systems are technically complex (turbine, generator) and consequently expensive and generally require high-quality thermal energy, i.e. high temperatures.
The invention is therefore based on the object of providing a device for converting thermal energy into electrical energy which is mechanically simple and therefore inexpensive to produce.
This is achieved according to the invention by a housing which is filled with a flowable, electrically conductive medium and forms a closed circuit for the medium and which has a heat-affected area and a cooling area, wherein a circulating convection flow of the medium can be achieved by heating the heat-affected area, at least one arrangement for generating a magnetic medium penetrating the medium and at least one electrode arrangement with at least two electrodes arranged in the medium in the region of the magnetic field arrangement in accordance with the three-finger rule for reducing the useful electrical voltage.
Since the device is constructed simply and essentially without any moving parts, its use can be economical even with only low efficiency. Since the medium is only moved by convection, a high temperature of the heat source is not required.
In the following, embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the figures. It shows:
1 is a schematic view of a device according to the invention,
Fig. 2 is a partial perspective view of the device, and
Fig. 3 is a schematic view of another embodiment of the device.
The housing 1 shown schematically in FIG. 1 forms a circulation path for the electrically conductive medium located in the housing 1. It can e.g. is mercury or a saturated saline solution. The medium is circulated by a heat source 4, shown only symbolically with a flame symbol, by convection in the housing 1. In the example shown, a check valve 6 designed as a flap ensures that there is a clear direction of circulation in the direction of the arrow shown.
The heated medium rises from the heat affected area 2 of the housing 1 and flows through the cooling area 3 through the check valve 6 back into the heat affected area. A temperature sensor 5 detects the temperature of the medium in the heat affected area, which allows the regulation of the heat supply. The medium can also be heated by the heat source to such an extent that it evaporates in the heat affected area, provided that the medium is also a conductor in the gaseous state. In the cooling area, there is then only condensation of the medium.
The medium kept in flow by the heat source passes through a magnetic field generated by the poles 7, 8 of one or more permanent magnets. According to the law of induction and the three-finger rule (Lenz's rule), there is a shift in the charge carriers of the moving conductor, i.e. of the medium, which in turn causes a voltage difference at the electrodes 11 and 12. The electrodes are arranged in the housing in such a way that the deflected free charge carriers of the medium bring about a potential difference on the electrodes. In the schematic view, one electrode 11 is covered by the other electrode 12. For a better illustration, the electrode 11 is therefore shown smaller and with dashed lines. A useful current corresponding to the induced voltage can accordingly be removed from the electrodes 11 and 12.
When flowing through the magnetic field, the medium is braked in accordance with the energy extracted from the device as electrical energy. If the convection flow is strong enough, additional magnetic fields and electrodes can be arranged along the circulation path of the medium. In order to achieve sufficient cooling of the medium in the cooling area 3, this can e.g. be provided with cooling fins for air cooling.
The housing 1 is expediently divided into several sections. In one embodiment e.g. the heat affected area 2 of the housing 1 consists of a good heat-conducting, metallic material such as Copper. The rest of the housing can then e.g. consist of steel, this on the inside of the housing with an electrically non-conductive coating, e.g. made of enamel, to avoid short-circuiting the generated voltage across the housing. The connection at the housing sections is to be designed in such a way that the different thermal expansion of the materials is taken into account with the usual professional measures.
If the housing is made of steel in the area of the magnetic poles, the poles should protrude into the medium through housing recesses and be insulated from the housing material to ensure that the magnetic field lines run essentially through the medium and not through the housing wall. Therefore, the housing in the power generation area should preferably consist of diamagnetic material.
In the partial perspective view of the device shown in FIG. 2, the electrodes 11, 12 also form the sides: walls of the housing section shown. Coils 9, 10 are provided on the poles of the partially shown permanent magnets 7, 8, by means of which the magnetic field passing through the medium can be amplified. The arrow indicates the direction of flow of the medium.
Fig. 3 shows schematically a further embodiment. The medium is evaporated and passes through the multiple magnetic field arrangements 7, 8; 14, 15; 16, 17 by a narrowed housing section in which the speed of the medium is increased. The electrodes in the individual magnetic field arrangements are not shown in this drawing for the sake of clarity, but they are arranged as in the previously shown embodiments.
In addition to the electrodes for taking off the useful voltage, further electrodes can be provided with which an electric field is generated which prevents the accumulation of charge carriers on the useful electrodes (so-called space charge). The additional electrodes must be arranged behind the current take-off electrodes 11, 12 and insulated against them. They carry a charge opposite the electrodes 11, 12.