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Zur
direkten Energieumwandlung von optischer Strahlung in einen für einen
elektrischen Verbraucher verwertbaren Strom bedarf es (1.) der Absorption
der Strahlung mit (2.) einhergehender Erzeugung von Ladungsträgern und
(3.) örtlicher
Trennung der verschiedenartigen Ladungsträger. Prinzipiell können Metalle,
Halbleiter, organische Stoffe sowie auch Elektrolyte als Absorber
in Thermionik und Photovoltaik dienen. Auch Plasmen sind dafür geeignet.
-
2 Stand der Technik
-
Rodgers,
Krascella und Kendall [Rodgers 1979] haben nach Darstellung von
Flamant [Flamant 2004] einen magnetohydrodynamischen (MHD) Prozess
und einen thermodynamischen Zyklus zur Gewinnung von elektrischer
Energie aus einem solar bestrahlten Cäsiumdampf vorgeschlagen.
-
Auch
haben Dunning und Palmer einen Hochtemperatur-solar-elektrischen
Konverter vorgeschlagen und dazu theoretische und experimentelle Ergebnisse
veröffentlicht
[Dunning 1981]. Das Konzept basiert auf der Absorption solarer Strahlung durch
ein Cäsium-Plasma,
welches im abgeschlossenen Raum unter solarer Bestrahlung aus dem
Alkalimetalldampf entstehe. Ohne eine genauere Vorrichtung zu beschreiben
wird vorgeschlagen, die elektrische Energie über einen magnetohydrodynamischen
Rankine-Prozess
zu gewinnen.
-
Ein
solarthermischer Antrieb für
einen MHD-Prozess mit der genannten Funktionsweise wird in
DE 3240965A1 beschrieben
(1982).
-
Der
vorgeschlagene MHD-Prozess ist nachteilig: Es ist notwendig eine
energieführende
Strömung
des heißen
Plasma zu generieren, was durch Expansion und Abkühlung im
MHD-Prozess erreicht wird. Damit verliert das Plasma seine örtliche
Konzentration und den Wirkungsgrad mindernder Energieabfluss wird
begünstigt.
-
Auch
im Fall eines thermodynamischen Zyklus, der Kondensation und Verdampfen
des Cäsium beinhaltet,
wird zweckmäßig ein
Wärmereservoir
mit einem Kältereservoir
verbunden, was alle technischen Probleme und Wirkungsradverluste
einer solchen Vorrichtung mit sich bringt.
-
Ein
Plasma-Photoelektrik-Konverter gemäß Gorbunov [Gorbunov 2006]
sieht vor, die fokussierte solare Strahlung im Alkalimetalldampf
des Cäsiums zu
absorbieren und mittels ambipolarer Diffusion eine Ladungsträgertrennung
zu erreichen. Der Konverter ist als Heat Pipe ausgestaltet, in dem
ein geschlossener Zyklus von Verdampfen und Kondensieren des Alkalimetalls
aufgrund von Oberflächenspannungen abläuft. Ein
Puffergas dient zur Begrenzung des Alkalidampfes und damit dem Bereinigen
des Strahlungseintrittfensters sowie der Erhöhung des Diffusionskoeffizienten.
-
Im
Unterschied zu den genannten MHD-Prozess und thermodynamischen Zyklus
setzt der Konverter gemäß Gorbunov
auf die Ladungstrennung durch ambipolare Diffusion, wie sie von
Wiesemann [Wiesemann 1976] beschrieben wurde. Dieses Konzept ist
nachteilig, da die ambipolare Diffusion auch Energieübertragung
von der beweglicheren Komponente (den Elektronen) auf die langsamere
(die Ionen) bedeutet. Weiterer wesentlicher Nachteil des Konverters
ist, dass keine Möglichkeit
besteht die Antriebskraft „ambilpolare
Diffusion" von außen zu optimieren,
zu steuern oder zu regeln, sondern einzig die bauliche Anordnung
von Wand, Elektroden und Ionisationsquelle für die Diffusion verantwortlich
ist.
-
Die
genannten Konverter nach Stand der Technik sind als Idee, Konzept
bzw. Modell vorgeschlagen worden und nur teilweise in ihrer Konzeption
experimentell bestätigt.
Fragen zur Konzeption sind Gegenstand aktueller Forschung [Gorbunov 2006].
-
Die
allgemein niedrige Ionisationsenergie der Alkalimetalle führt wie
bei der Thermionik zu ihrer favorisierten Verwendung in den genannten
Konvertern. Ein wesentliches Argument für den Einsatz von Cäsium (im
Vergleich zu Natrium) liegt in der Existenz von mehreren Anregungsniveaus
(1,386eV, 1,455eV, 2,70eV, 2,72eV) im interessierenden solaren Spektralbereich.
Es wird festgestellt [Flamant 2004, Seite 18], dass die neuerlich
berechnete Absorption in den genannten Linien (eine unberücksichtigte
Resonanzverbreiterung der Linien wird nach oben abgeschätzt,) eine
vernachlässigbare
resultierende Energieflussdichte im Vergleich zur eingestrahlten
Bestrahlungsstärke
im genannten „Sonnenofen" hat. Die Absorption
außerhalb
der Linien in den atomaren/molekularen Banden wird nach Literaturrecherche
als „signifikant" eingeschätzt. Zusammenfassend
wird ein errechnetes Resultat des Absorptionskoeffizienten aus [Dunning
1981] herangezogen. So ist nicht endgültig zu klären, wie hoch der Absorptionskoeffizient
von Cäsiumdampf
bei den teils unbekannten Betriebsbedingungen tatsächlich ist
[Flamant 2004].
-
In
allen genannten Konvertern wird das Plasma durch Photoionisierung
erzeugt, erreicht durch die eingestrahlte zu wandelnde optischen
Strahlung. Dies ist aus mehreren Gründen besonders nachteilig:
- i. Die Ionisierung eines Atoms oder Moleküls mit solarer
Strahlung führt
auch bei den geringen Ionisationsenergien der Alkalimetalle nur
zum geringen Ionisationsgrad des Plasma. Der Ionisationsgrad, also
die Ladungsträgerdichte,
ist jedoch entscheidend für
den Innenwiderstand und damit für die
Effizienz des Konverters.
- ii. Die Ionisierung mit hinreichendem Ionisationsgrad ist mit
solarer Strahlung für
die meisten Elemente, insbesondere Gase, nicht möglich, da die Ionisationsenergie
mit dem solaren Spektrum nicht erreicht wird.
-
Das
bedeutet, dass hier das durch Photoionisierung mittels solarer Strahlung
herbeigeführte
Alkalimetalldampf-Plasma für
die Anwendung im Konverter nicht optimal ist.
-
Nachteilig
am Stand der Technik ist zusammenfassend (1.) die geringe Absorption
der solaren Strahlung mit einem Alkalimetalldampf und (2.) die geringe
Ladungsträgererzeugung
durch Ionisierung sowie (3.) der schwache Ladungstrennungsprozess „ambipolare
Diffusion".
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3 Aufgabenstellung
-
Es
wird ein effektiver Konverter für
optische Strahlung in elektrische Energie gesucht. Aufgabe dieser
Erfindung ist es,
- 1) einen geeigneten Absorber
für die
zu wandelnde optische Strahlung zu finden und die wesentlichen Eigenschaften
des Absorbers zu optimieren,
- 2) Verfahren und Vorrichtungen zu konzipieren, bei denen ein
als Absorber dienendes Plasma in seinen wesentlichen Eigenschaften,
wie insbesondere Lokalisierung, Absorption, Leitfähigkeit, etc.
gestaltbar, kontrollierbar, regel- und steuerbar ist,
- 3) eine wirkungsvolle Ladungstrennung herbeizuführen,
- 4) die bekannten theoretischen Erkenntnisse über die thermodynamischen Limitierungen
mit einem neuen Konzept besser auszuschöpfen,
- 5) eine im Hinblick auf den Carnot-Wirkungsgrad optimierte Absorbertemperatur
von ca. 2400 bis 2600 Kelvin zu erreichen,
- 6) eine Technologie zu verwenden, die bereits mit hinreichenden
Erfahrungen genährt
ist.
-
4 Funktionsprinzip
-
Zur
Konversion von optischer Strahlung in elektrische Energie wird erfindungsgemäß die Strahlung
in einem elektrisch gespeisten und in Gasentladung brennenden optischen
Plasma absorbiert, um dann mittels magnetischer bzw. elektromagnetischer Kraft,
Ladungstrennung herbeizuführen
und die so vorliegende elektrische Energie dem Plasma ohmsch, induktiv
oder kapazitiv über
einen (typischerweise sekundären)
Stromkreis entnommen wird.
-
4.1 Optische Strahlung
-
Die
in Elektrizität
zu wandelnde optische Strahlung von UV über VIS ins IR kann künstlichem, vorzugsweise
solaren Ursprungs sein. Mit dem Stand der Technik sind hohe optischen
Konzentrationen der solaren Strahlung möglich, typischerweise mehrere tausend
mit bis zehntausend. Mehrstufige ultra-hohe Konzentrationen nichtabbildender
Optik erreichen fast theoretische Grenzen in der Größenordnung
von 100.000. Ein typischer „Sonnenofen" im Betrieb erreicht
Bestrahlungsstärken
von 15MW/m2 mit weitgehend spektraler Verteilung
des terrestrischen solaren Spektrums mit Ausnahme von Absorptionen
im UV durch die Optik [Flamant 2004].
-
4.2 Das Plasma
-
Zur
Begriffbildung wird die Literatur [Bergmann Schäfer], [Kohlrausch] und [Wiesemann]
herangezogen.
-
Das
als Absorber dienende Plasma wird in elektrischer Gasentladung erzeugt.
Die Gasentladung des energiespeisenden (primären) Stromkreis definiert eine „Gastrecke", die geometrisch
nicht als Linie, sondern als Volumen, insbesondere als Schlauch
ausgebildet ist. Eine Stabilisierung der Gasstrecke geschieht durch
die massive Wand, eine Flüssigkeit,
eine Gas- oder Flüssigkeitsströmung und insbesondere
durch die Elektroden. Es kommen teil- und unselbständige, vorzugsweise
selbständige
Entladungen zur Erzeugung des optischen Plasma in Frage.
-
Die
Strom-Spannungs-Charakteristik einer stationären Gasentladung ist in den
einzelnen Strombereichen geprägt
durch die unterschiedlichen Typen der Entladung:
Fremdionisierte
Entladung (unselbständig)
Townsend-Entladung
(teilselbständig)
Glimmentladung
(teilselbständig)
Normale
Glimmentladung (selbständig)
Anormale
Glimmentladung (selbständig)
Bogenentladung
(selbständig)
Eine
selbständige
Gasentladung im Bogen ist gekennzeichnet durch Feldemission, Thermoemission, Thermofeldemission
Elektronenstoßionisierung
und thermischer Ionisation.
-
„Der stromlosen
Gasstrecke ohne Ladungsträger
entspricht die Gasstrecke, in der ein reiner Verschiebungsstrom
fließt.
Der unselbständigen
Entladung entspricht eine Gasstrecke, in der durch Fremdionisierung
Ladungsträger
erzeugt werden. Diese Ladungsträger
nehmen aus dem Feld Energie auf. Wenn sie zur Wand diffundieren
und dort entladen werden oder wenn sie elastisch mit Gasmolekeln
stoßen,
wird diese Energie als Wärme
freigesetzt. Daher wird dem Feld dauernd Energie entzogen (die Gasstrecke
enthält
einen Wirkwiderstand). Nehmen die Ladungsträger sowohl Energie im Feld
auf, dass sie ionisieren können,
so steigt der Energiestrom zur Wand bzw. in das Neutralgas. Dies
entspricht der teilselbständigen
Entladung. Wird schließlich
so stark ionisiert, dass ohne Fremdionisierung ständig eine endliche
Ladungsträgerkonzentration
in der Gasstrecke aufrechterhalten werden kann, so sprechen wir von
der Zündung
einer selbständigen
Entladung. Aus dieser Betrachtung geht hervor, dass es am günstigsten
ist, die Zündbedingung
als Funktion der Feldstärke
zu formulieren [Wiesemann S253]".
Diese Formulierung findet Anwendung für die Gasentladung in der Wechselspannung
und in der weiter unten genannten sekundären Gasstrecke.
-
Die
Gasmischung des Plasma besteht aus Elementen wie schwere Edelgase,
Alkalimetalle oder auch Elemente wie Schwefel, die verdampfen, mit besonders
vielen Anregungsniveaus, die typischerweise einen hohen Anteil an
Kontinuumstrahlung haben und vorzugsweise in der Entladung an maximaler
Anzahl von Frequenzen optisch dicht sind. Die einzelnen Drucke der
Gassorten sind gewählt,
dass die Gesamtabsorption des Plasma maximiert ist.
-
Zum
Beispiel zeigt die Natriumdampflampe die für den Konverter geforderte
Eigenschaft, unter zunehmenden Dampfdruck eine hohe Absorption bis hin
zur Selbstabsorption auszubilden und in dem entsprechenden Spektralbereich
nahe der spektralen Strahldichte des in der Temperatur korrespondierenden
Schwarzen Körpers
(Wand) zu sein.
-
Erfindungsgemäß wird erkannt,
dass alle in der Lichttechnik bekannten Stoffe mit hoher Lumineszenz,
wie z.B. NaJ, ScJ3, ZnJ2,
geeignet sind in dem Plasma die gewünschte Absorption auszubilden.
-
Erfindungsgemäß wird für den gesuchten Konverter
ein elektrisch gespeistes und in vorzugsweise selbständiger Gasentladung
brennendes optisches Plasma als Absorber für optische Strahlung bereitgestellt.
Damit wird das Plasma nicht durch Photoionisierung erzeugt, sondern
wird unter Aufwand von elektrischer Energie hergestellt.
-
Mit
zunehmender eingespeister Energie wird ein Plasma, das sich in einer
innenverspiegelten Kammer befindet, durch wiederholte Wandlung von Photonenenergie
in Bindungs- und Translationsenergie (unter Beteiligung Dritter)
sowie der Redistribution der Strahlung, sich in den Größen (a)
spektraler Verteilung und (b) Energiedichte denen der Hohlraumstrahlung
als Maximum annähern.
So kann unter idealen Bedingungen jedes optische Plasma mit beliebigen
Spektrum (bestenfalls Viel-Niveau-System) durch Energiezufuhr mittels
optischer Strahlung in seinen wesentlichen Größen der Anzahldichten (und
-Verteilungen) von Molekülen,
Atomen, Ionen und Elektronen sowie (lokalen) Temperaturen, Drücke, Masseverteilungen,
Wärmeverteilungen
der Komponenten als Absorber betrachtet werden. Nicht notwendigerweise
fließen
Annahmen über
Gleichgewicht und Stabilität
ein. Ist das Plasma (nicht notwendigerweise) in eine weitgehend
innenverspiegelte Kammer eingeschlossen, ergeben sich durch diese Umgebung,
insbesondere der Umgebungstemperatur, entsprechende Ortsverteilungen
aller maßgeblichen
Größen, wie
insbesondere der Anzahldichten und Temperatur. Ein geometrisch ausgebildeter
heißer
Kern des Plasma hat die höchsten
Dichten und Temperaturen und das höchste Absorptionsvermögen.
-
Absorption
und induzierte Emission erfolgen gemäß der Besetzungswahrscheinlichkeiten
nach Einstein. Die Analogie zur Bremsstrahlung von Röntgenstrahlung
in Materie nach Kramers dient der Ermittlung des Emissionskoeffizienten
und der Diskussion von Temperatur, Anzahldichten und weiteren Parameter.
Unter Annahme eines lokalen thermischen Gleichgewichts ist nach
Kirchhoff die Absorption über
die Hohlraumstrahlung (Planck) an die Emission gebunden. So ist
einer der Umkehrprozesse der Emission die Photoionisierung, die
jetzt unter Beteiligung Dritter (Elektronen bzw. Ionen) mit Photonenenergien
weit unter der Ionisationsenergie stattfinden kann.
-
Erfindungsgemäß wird erkannt,
dass das Plasma eine hohe Emission aus Linien und Kontinuumstrahlung
in allen Wellenlängenbereichen
erreichen muss, um gleichermaßen
die Absorptionsfähigkeit
des Plasmas zu erhöhen.
So kann aus den besonders gewichtigen solaren Spektralbereich von
0,5 bis 3eV mittels Umkehrprozess der Bremsstrahlung einer selbständigen Xenon-Bogenentladung
die solare Energie in das Plasma (den Bogen) überführt werden. Die Herstellung
von Gasentladungslampen hat hier die gleiche Zielsetzung: möglichst
hohe Emissionskoeffizienten des Kontinuums anzustreben durch möglichst
hohe Elektronendichten bei möglichst
geringen Temperaturen. Die Technologie der Gasentladungslampen dient
hier als Muster für
die bauliche Ausgestaltung.
-
Allgemein
sind die Strahlungsquellen jedoch auf photometrische und lichttechnische
Anforderungen optimiert und bieten für die hiesige neue Verwendung
entsprechend Optimierungspotential:
Das als Absorber dienende
Plasma soll einen spektralen Emissionskoeffizienten besitzen, der
einen Absorptionskoeffizienten bedingt, der auf die zu wandelnde
optische Strahlung (solare Strahlung) angepasst ist. Vorzugsweise
ist das Plasma optisch dicht in allen entsprechenden Frequenzen.
Dazu werden Mischungen einer Vielzahl von Stoffen (Elemente, Moleküle, Aerosole,
vorzugsweise Viel-Niveau-Systeme) verwendet, die im jeweiligen Partialdruck
optimiert sind, um einen maximalen Gesamtabsorptionskoeffizienten
des Plasma zu erhalten.
-
Im
Niederdruck-Langbogen kann auch bei einen geringen Absorptionskoeffizienten
ein langer Strahlungsweg zur Absorption dienen. Mit einem Hochdruck-Kurzbogen
kann hingegen die Absorption durch technisch einfach zu erreichende
Druckerhöhung
gesteigert werden.
-
Mit
einem elektrisch gespeistem Plasma im erfindungsgemäßen Konverter
sind die Vorteile gegeben, dass
- • das Plasma
exakt lokalisiert ist, und die Ortsverteilungen der Temperatur,
Konzentrationen, etc. sich dadurch mitbestimmen,
- • die
thermodynamisch günstige
Temperatur im Hinblick auf den Wirkungsgrad einstellbar ist, für Carnot
entsprechend 2400–2600K,
- • die
elektrisch gespeiste Entladung in einstellbarer Intensität brennt
und damit der Absorber steuer- und regelbar ist,
- • die
wesentlichen Eigenschaften des Plasma (des Absorbers), wie ortsabhängige Elektronen- und
Ionenkonzentrationen, durch gezielte Ausbildung der Elektroden und
der Umgebung beeinflussbar sind,
- • höhere (örtliche)
Ladungsträgerkonzentrationen zu
erreichen sind als die zu wandelnde optische Strahlung es erreichen
kann,
- • Gase
und Edelgase in der Entladung verwendbar sind, wie Xenon, die nur
als Plasma in einer gezündeten
Gasentladung eine mit der Emission einhergehenden Absorption besitzen,
- • die
Gasentladung mit Kontinuumstrahlung Photonen absorbieren kann, deren
Energie nahe unter der Seriengrenze und damit weit unter der Ionisationsenergie
des Gases liegt,
- • die
in weiten Teilen bekannte Technologie der Plasmastrahlungsquellen
neue Anwendung finden kann,
- • die
selbständige
Gasentladung einen negativen differentiellen Widerstand besitzen
kann, was für das
Funktionsprinzip des Konverters vorteilhaft sein kann,
- • im
Fall des Gleichstrombetriebs das Plasma einen lokalisierten Stromfluss
besitzt, der es erlaubt, auf diese Gasentladungsstrecke im weiteren
zielgerichtet elektromagnetisch Einfluss zu nehmen,
- • der
elektrische Energiefluss in das Plasma gleichzeitig dem Plasma eine
Ordnungsstruktur hinsichtlich Elektronen- und Ionenfluss, Temperatur
etc. einprägt,
die zur Ladungstrennung ausgenutzt werden kann. Im Fall des Gleichstrombogens
ist die Ordnungsstruktur in den Symmetrien offensichtlich.
-
4.3 Ladungstrennung
-
Erfindungsgemäß wird die
Ladungstrennung durch homogene und inhomogene magnetische bzw. elektromagnetische
Felder vorgenommen.
-
Die
mit dem primären
Stromkreis aufrecht erhaltene Gasentladung besitzt eine Ordnungsstruktur hinsichtlich
der Ortsverteilungen aller charakteristischen Größen des Plasma. Insbesondere
der Elektronen- und Ionenfluss wird durch Wand, Elektroden, Flüssigkeit,
etc. in seiner Geometrie planmäßig gestaltet.
-
Aufgrund
der geringen Beweglichkeit der Ionen gegenüber der Elektronen nehmen letzte
den Ladungstransport bei deutlich höherer Geschwindigkeit wahr.
In einem Magnetfeld unterliegen die Ladungsträger der Lorentzkraft und gyrieren.
Insbesondere der Krümmungs-
und Gradientendrift führt
zur Ladungstrennung. Aus dem verallgemeinerten Ohmschen Gesetz lassen
sich die Hall-, Faraday- und weiteren Ströme ableiten.
-
Durch
planmäßig angelegte
- • homogene,
stationäre
magnetische Felder,
- • homogene,
frequente magnetische Felder und damit induzierte elektrische Felder,
- • inhomogene,
stationäre
magnetische Felder,
- • inhomogene,
frequente magnetische Felder und damit induzierte elektrische Felder
wird
die örtliche
(und zeitliche) Ladungstrennung erreicht.
-
Die
Magnetfelder können
durch Permanentmagnete und vorzugsweise elektromagnetisch erzeugt
werden. Die magnetfeld-erzeugende Vorrichtung für insbesondere ladungstrennende,
fokussierende und strömungsleitende
Felder werden nach Stand der Technik erstellt.
-
Auf
diesem Weg wird erfindungsgemäß eine (typischerweise)
zweite Gasstrecke erzeugt, die in einem (sekundären) Stromkreis eine elektrischen Strom
für einen
Verbraucher liefert.
-
Die
Vorteile der (elektro-)magnetischen Ladungstrennung sind, dass
- • die
Ladungstrennung durch die Einstellbarkeit der (verschiedenen) homogenen
und inhomogenen (Elektro-)Magnetfelder steuer- und regelbar wird
- • die
entstehenden Hall- und Faraday-Spannungen für eine zweite Entladungsstrecke
benutzt werden können
- • die
entstehenden Hall- und Faraday-Spannungen durch Wahl der Magnetfeldstarke(n)
steuerbar ist, und vorzugsweise so hoch sind, dass eine Feldemission
von Elektronen auf der zweiten Gasstrecke möglich ist,
- • die
genannte Einstellbarkeit insbesondere eine magnetische Zündung zur
selbständigen
Entladung der zweiten Gasstrecke zulässt, d.h. kurzzeitig kann ein
Schwellenwert für
Strom oder Spannung zur Auslösung
der selbständigen
Entladung überschritten
werden,
- • der
Energiefluss der ersten Gasentladung in die zweite Gasentladung
kontrollierbar ist,
Erfindungsgemäß ist die plasma-erzeugende
primäre
Entladung - 1) verantwortlich für die Absorptionseigenschaft des
Plasma und
- 2) Energielieferant für
die im Plasma zu erzeugende ladungstrennende Spannung für die zweite Gasstrecke,
die einen nach außen
ableitbaren elektrischen Strom liefert.
-
Erfindungsgemäß werden
die Bedingungen für
die zweite Gasstrecke so gewählt,
dass sie eine selbständige
Gasentladung ausbildet und in den Arbeitspunkt der Strom-Spannungscharakteristik
mit konstanten oder vorzugsweise negativen differentiellen Widerstand
arbeitet, um die höchste
Ladungsmenge abzutransportieren.
-
5 Ausgestaltungen
-
5.1 Die Plasmastrahlungsquelle als Absorber
-
Als
Beispiel dient das Plasma einer Hochdruck-Gasentladung einer Xenon-Kurzbogenlampe kommerzieller
Bauart. Das Gas Xenon mit der Ionisationsenergie von über 12eV
ist ein schlechter Kandidat für
die Photoionisierung. Jedoch zeigt Xenon im Plasma der Gasentladung
hier gewünschte
Eigenschaften, insbesondere diese, bei geringeren Energien Ladungsträger zu erzeugen:
- 1) „Das
Verhältnis
von Kontinuums- zu Linienstrahlungsleistung ist für Xenon
relativ groß, zumal
mit wachsender Stromdichte die Ionisationsenergie durch das Mikrofeld
der Elektronen um 1–2
eV abgesenkt wird und die Linienstrahlung mit zunehmendem Druck
durch Reabsorption und durch Stöße 2-ter
Art gemindert wird." [Heering
2003]
- 2) Im Termschema existieren sehr viele Anregungsniveaus nahe
unter der Seriengrenze. Xenon kann wie Neon, Quecksilber und andere Gase
und Dämpfe
mit besonderes vielen möglichen Übergängen als
Viel-Niveau-System bezeichnet werden. Das quasi-kontinuierliche
Emissionsspektrum ist geprägt
durch die „freifrei-Übergänge" und insbesondere
die „frei-gebunden-Übergänge" im Sichtbaren und
nahen Infraroten. Mit Emission dieser Strahlung ist auch die Absorption
genau dieser Strahlung mit den Umkehrprozessen möglich, wobei die Photonenenergien
deutlich unter der Ionisationsenergie liegen.
-
So
wird das Plasma z.B. der Xenon-Gasentladung ein Absorber genau der
optischen Strahlung bestimmter Wellenlänge bzw. bestimmter Frequenz, die
es emittiert, da mit der Emission die Absorption als Umkehrprozess
einhergeht. Das Spektrum der Xenon-Gasentladung (Viel-Niveau-System) ähnelt dem
der Hohlraumstrahlung und es ergibt sich auch die Eignung zur Absorption
solarer Strahlung.
-
Die
Absorptionslänge
ist im Sichtbaren mit Annahme hinreichender Elektronendichte im Sub-Millimeter-Bereich
und somit in brauchbarer Größenordnung
in dieser technischen Realisierung eines Plasmas. Eine kommerzielle
Xenon-Kurzbogen-Hochdrucklampe oder eine Quecksilber-Hochdruckdampflampe,
kann durch fast vollständige
Verspiegelung der Kolbenwände
und durch Einkoppelung optischer (solarer) Strahlung an freigebliebenen Stelle
als Ausführungsbeispiel
eines Absorbers betrachtet werden.
-
Jedoch ändert sich
zunächst
bei Bestrahlung lediglich die Bilanz der aufzuwendenden elektrischen Energie
und der Strahlungsenergie verschiedenen Ursprungs (eingestrahlt
bzw. erzeugt), da dem System ausschließlich Energie zu- und nicht
abgeführt wird.
Die Umgebung des Plasma kann ausgestaltet werden wie die bekannten
Ionisierungskammern [Kohlrausch] und Plasmastrahlungsquellen, wobei idealerweise
eine eingefangene Strahlung im Plasmaraum/Entladungsgefäß durch
Reflexion an den Kammerwänden
gehalten werden soll (Lichtfalle). Aus der Umkehrbarkeit eines jeden
Lichtweges muss einkalkuliert werden, dass ein zu minimierender
Teil der eingefangenen Strahlung das Plasma und die gesamte Anlage
der Energieumwandlung wieder verlassen wird. Die optimalen Bedingungen
für diesen Teil
der Strahlung hinsichtlich des Strahlungsflusses und insbesondere
der Strahlungstemperatur sind auszubilden (Ergebnisse der Plasmaspektroskopie, Lampenbau,
Gestaltung von Ortsverteilungen der optischen Dichte, Ausnutzung
der im weiteren beschriebenen Effekte, etc.).
-
5.2 Plasmabrenner mit Wandstabilisierung
-
Die
in der Plasmaspektroskopie und Radiometrie bekannten Plasmabrenner
[Kohlrausch 96] sind in der Lage, Bogenplasmen mit Spektrallinienemission
aus optisch dicker Schicht zu erzeugen. Der Typus Brenner bietet
mehrere hier geforderte bauliche Merkmale:
- • Die separierten
Kupferplatten, die der Wandstabilisierung des Plasma dienen, können durch
andere Materialwahl und weitere Unterteilung der Platten als Elektroden
für Hall-
und Faradayströme
dienen.
- • Der
Brenner ist derart gestaltet, dass die optische Strahlung sogar
fensterlos den Brenner verlassen kann bzw. in das Plasma gelangen
kann und dieses auf dem längsten
Weg durchstrahlt. Durch die Wegverlängerung ist mit hiesiger Zielsetzung
eine höhere
Absorption erreichbar.
- • Dem
Bogenplasma kann durch einen weiteren Gaseinlass Zusatzgase zugeführt werden.
Deren Anregungsniveaus in Absorptionslinien und -banden erhöht die Gesamtabsorption
des Plasma.
-
5.3 Einfachste Ausgestaltung in 4-Elektroden
Anordnung:
-
Eine
konventionelle Gleichstrom-Bogen-Entladung wird über einen Vorwiderstand R1 durch eine Quelle mit der Spannung U1 versorgt. Der Bogen 13 der Plasmazelle 1 brennt
zwischen den Elektroden 11, versorgt über die elektrischen Leiter 12.
Die zu wandelnde optische Strahlung 30 tritt durch das Fenster
in die Plasmazelle 1 mit der innenverspiegelten Wand 10.
Das stationäre
Magnetfeld 20 senkrecht zur Hauptachse des Plasma 13 (Verbindung der
Elektroden 11) führt
zur „magnetischen
Blasung" des Plasma.
In dem gekrümmten
Bogen 13 ist das Eigenmagnetfeld auf der Bogeninnenseite
stärker
als auf der Bogenaußenseite,
was zur Ladungstrennung führt.
Diese Ladungstrennung wird durch zusätzliche inhomogene Magnetfelder
B(x, y, z) unterstützt,
typografisch dargestellt mit 20. Mit zwei weiteren Elektroden 40 wird
dieser Strom I2 über die Leitung 41 ableitbar
für einen
angepassten Verbraucher mit Widerstand R2.
Elektrotechnisch entstehen zwei Stromkreise, die durch die Plasmazelle 1 führen. Die
Plasmazelle 1 besitzt zwei elektrisch gespeiste Elektroden der
ersten, primären
Gasentladung und die beiden weiteren Elektroden, zwischen denen
eine Spannung U2 über das Plasma erzeugt wird.
Diese zweite, sekundäre
Gasstrecke bedarf ggf. einer zusätzlichen Zündung zur
Erlangung der selbständigen
Gasentladung, insbesondere einer Feldemission von Elektronen an
die Elektroden. Die zu wandelnde optische Strahlung wird in die
zweite Gasstrecke bzw. in die Kreuzung der beiden Gasstrecken fokussiert.
-
5.4 Pinch
-
Auch
wird in Kurzbogenlampen gezielt die Lorentzkraft in dem Pinch-Effekt
ausgenutzt, um besonders hohe Elektronendichten und folglich Strahlungsdichten
zu erreichen. Dabei sind die resultierenden Kräfte des Pinch-Effekts auf Ionen
und Elektronen gleichgerichtet und formen die Plasmakugel. In einem
zusätzlichen
Magnetfeld können
die Ladungen getrennt werden, vergleichbar wie die Faraday- und
Hall-Ströme
im magnetohydrodynamischen Generator.
-
5.5 Torus
-
„Biegt
man einen Theta-Pinch um die sog. Vertikale Achse herum zum Torus
zusammen, wird das toroidale Magnetfeld auf der Torusinnenseite (näher zur
Achse) stärker
als das auf der Außenseite. Der
magnetische Druck treibt ein solches Plasma an die Außenwand
des Entladungsgefäßes, es
existiert kein Gleichgewichtszustand. Zusätzlich tritt eine kombinierte
Krümmungs-
und Gradientendrift auf, die eine vertikale Ladungstrennung hervorruft,
bei der sich Elektronen oben im Torus sammeln und die Ionen unten
oder umgekehrt." [Bergmann
Schaefer, S. 205]. Damit stellt der toroidale Plasmaeinschluß eine geforderte
Konfiguration für
ein Plasma dar, was sowohl zur Absorption von Photonen als auch
zur Ladungstrennung dienlich ist, ganz im Sinne der hier verfolgten
Energiewandlung.
-
5.6 Gasstrecke zeitlich getrennt
-
Ein
elektrisch gespeistes und in selbständiger Gasentladung brennendes
optisches Gleichstrom-Bogenplasma arbeitet mit Vorwiderstand im Arbeitspunkt
mit negativen differentiellen Widerstand. Die zu wandelnde optische
Strahlung wird auf den Bogen fokussiert. Mit Überbrückung der Spannungsquelle bricht
zwar die Entladungsspannung zusammen, jedoch kann die Energie des
Vorwiderstandes für
einen Verbraucher genutzt werden, solange die strahlungsabsorbierenden
Prozesse erfolgreich weiterlaufen und der Vorwiderstand der verfügbaren Leistung
angepasst wird. Das Eigenmagnetfeld des Bogens, was bei entsprechender
Höhe einen
Pincheffekt mit sich bringt, wirkt stabilisierend und kann durch
zusätzliche
Magnetfelder erhöht
werden. Mit einer weiteren Zündung
lässt sich
der Prozess wiederholt starten. Im Sinne des erfindungsgemäßen Konverters
ist die erste, gezündete,
Gasstrecke der Absorber, der nach Abschalten der äußeren Energieversorgung
auf der selben Gasstrecke die absorbierte Energie zum Verbraucher
abgibt. Primäre
und sekundäre
Gasstrecke sind also identisch, jedoch zeitlich getrennt.
-
5.7 Im Wechselfeld
-
Im
weiteren Beispiel einer elektrodenlosen Mikrowellen-Lampe wird die
Ladungstrennung aufgrund des Skin-Effekts beobachtet. Nach Zollweg, 1975,
haben gemäß Aussage
Listers [Lister, S.580, S586] Modellrechnungen unter anderem die
Ladungstrennung im Zusammenhang mit Entmischung, Strahlungsemission
und Elektroden aufgezeigt. Die Elektroden für die Stromableitung zum Verbraucher werden
entsprechend konzentrisch innen und außen ausgebildet.
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5.8 Zusammen mit weiteren Transportmechanismen
-
Zusätzliche
ladungstrennende Transportmechanismen, die an den Eigenschaften
der Ladungsträger
(Masse, Dichte, Geschwindigkeit) angreifen, können unterstützend bis
wesentlich wirken.
-
Als
Beispiel für
die Konvektion sei das zwischen zwei Elektroden brennende konvektionsstabilisierte
Plasma einer kommerziellen Quecksilberdampflampe genannt. Dabei
sind Elektronen und Ionen, wenn auch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit,
in gleicher Richtung unterwegs. Ein Magnetfeld kann diese Strömungsgeschwindigkeit
in Faraday- oder Hall-Ströme
vergleichbar dem magnetohydrodynamischen Prinzips überführen. Dazu
werden benachbart dem Plasmabogen die Elektroden platziert, wie
es aus der Technologie der Magnetohydrodynamik bekannt ist.
-
Ingesamt
kommen eine Reihe bekannter ladungstrennende Transportmechanismen
in Frage, insbesondere:
- • Diffusion
- • Zeitabhängige Verwertung
der ambilpolaren Diffusion (lokales/nicht-lokales thermisches Gleichgewicht
LTE/NTE)
- • Konvektion
- • Gravitation
- • Impuls,
Viskosität
- • Trägheit im
Sinne der Masse und Beweglichkeit
- • Gasdynamisch,
z.B. lokale Gasströmung
im Jet-Effekt
- • Blasung
(Strömung
von Fremdstoffen, magnetische Blasung, etc.)
- • Akustische
Resonanz, [Lister S577]
- • Thermionisch
- • Zusätzlich generierte
Raumladungen
- • Gitter
und Spannungsfelder bekannt durch Röhrentechnologie
- • Gitter
und Leitbleche zur Strömungsleitung
- • Einbau
von isolierten gelochter und ungelochter Membranen zur Strömungsleitung
- • Chemische
Trennung (auch Reaktionen) von Plasmabestandteilen oder zusätzlichen
Molekülen,
Clustern, o.a.
- • Strömungsleitung
durch Wand- oder Elektrodendesign
- • Beeinflussung
durch eine Flüssigkeit
und Flüssigkeitsströmungen
-
5.9 Multi Path
-
Es
ist bekannt, dass Plasmenstrahlungsquellen mit mehreren Elektroden
auf mehreren Pfaden betrieben werden können und die Bögen eine
Attraktion aufeinander ausüben
[
US3611015 ]. In
US4631452 wird für eine Multi-Elektroden-Bogenentladung
auf die prinzipielle Anforderung hingewiesen, dass die einzelne
Energiespeisungen von sich verschmelzenden Bögen galavanisch vollständig getrennt
sein müssen.
Aus diesen Stand der Technik lässt
sich ableiten,
- • wie eine begünstigte
geometrische Konfiguration von mehreren Elektroden für den Konverter gestaltet
werden müssen,
- • welche
elektromagnetischen Felder auf den unterschiedlichen Gasstrecken
herrschen, um die inhomogenen Magnetfelder zur Ladungstrennung zu
spezifizieren,
- • welche
Auslegungen für
primäre
und sekundäre Gasstrecken
möglich
sind.
-
5.10 Elektroden
-
Die Überführung der
(zeitweise) lokal getrennten Ladungsträger (Ionen und Elektronen)
in elektrische Ströme
kann mit den umgekehrten Verfahren ermöglicht werden, wie bei Einleitung
der elektrischen Energie in ein Plasmen (z.B. wie bei Plasmastrahlungsquellen),
also über
Elektroden (ohmsch), kapazitiv und induktiv. So sind Anordnungen
mit vier Elektroden möglich,
bei gleichzeitiger ohmscher Plasmaerzeugung und ohmscher Energieentnahme.
Für das
Beispiel der mit Mirkowellen gespeisten Lampe [Lister] und einhergehenden
Skineffekt sind die Elektroden entsprechend konzentrisch innen und
außen
auszubilden.
-
5.11 Der Weg zur optimalen Ausgestaltung
-
Allgemein
ist zur Beschreibung des Konverters, insbesondere im Hinblick auf
die Ladungstrennung ein umfängliches
ortsaufgelöstes
Strahlungs- und Teilchenmodell oder in Vereinfachung ein Strahlungs-
und Fluid-Modell („Strahlungsmagnetohydrodynamik") notwendig, was
insbesondere folgende Prinzipien berücksichtigt:
- • Allgemeinste
Fassung des Ohmschen Gesetzes
- • Maxwell
Gleichungen
- • Ergebnisse
von Saha und Eggert
- • Besetzungswahrscheinlichkeiten
(Koeffizienten) und induzierte Emission nach Einstein,
- • Wirkungsquerschnitt,
Emissions- und Absorptionskoeffizienten, Reabsorption, Reemission,
Redistribution,
- • Kontinuitätsgleichungen,
Driftbewegungen, Gyrationen, Wärmeleitung,
Elenbaas-Heller-Differentialgleichung
- • Anzahldichten
und Temperaturverteilungen der Plasma-Komponenten
- • Beschaffenheit
und Bedingung der Umgebung, Geometrien der Wandungen, und ggf. Elektroden selbst
und zueinander
- • Resonanzen
- • Fluktuationen
-
Mit
den genannten Beispielen und Modellen über Ladungstrennung lassen
sich
- a) die geometrische Anordnung von magnetischen
Feldern (und ggf. elektrischen Feldern mittels Elektroden) zur Plasmaerzeugung
sowie
- b) die geometrischen Orte der Ladungstrennung und damit die
Positionierung von Abnahmepunkte (Elektroden) bei ohmscher, kapazitiver
oder induktiver Entnahme der elektrischen Energie finden.
-
5.12 Steuerung
-
Die
besagte Ladungstrennung in allen oben genannten Varianten und deren
Zusammenspiel unterliegt im hohen Maße der Abhängigkeit sämtlicher das Plasma charakterisierenden
Größen. Die
Stabilität
bzw. das stationäre
Gleichgewicht wird nicht zuletzt durch Fluktuationen in der Zufuhr
der Strahlungsenergie und Änderungen
im Abfluss der elektrischen Energie (Lastanpassung) angegriffen.
Das Zustandekommen und Aufrechterhalten der (ggf. periodischen)
Ladungstrennung kann einer Steuerung und auch Regelung von insbesondere
den elektromagnetischen Eingangsgrößen für das Plasma bedürfen.
-
6 Vorteile
-
Diese
Energieumformung vom Photonenstrom in einen Elektronenstrom entspricht
idealtypisch dem thermodynamisch Maximum an Effizienz, da insbesondere
die gequantelte Photonenenergie durch die Vielzahl der (hintereinander)
wiederholt ablaufenden Umwandlungsprozesse (idealtypisch) vollständig umgewandelt
werden kann. Diese Prozesskette stellt ein Energiekonverter für Photonenenergien
dar. Es finden an dieser Stelle die Erörterungen von Luque, Landsberg,
Green, Ries und Würfel über den
die Limitierungen der Konversion Anwendung. Dabei gilt ist insbesondere:
- • Die
vollständige
und reversible Absorption der Strahlung ist idealtypisch gewährleistet.
- • Die
Anwesenheit eines magnetischen Feldes oder die zeitlich getrennte
Nutzung einer Gasstrecke sind die Formen der Irreversibilität wie sie auch
bei Abwesenheit des Kirchhoff Gesetzes zu maximal extrahierbarer
Exergie führt.
Die Erörterungen
von Ries über
die theoretischen Optische Zirkulatoren finden ihre Anwendung.
- • Die
multiple Ladungsträgererzeugung
pro Photon, wie sie in der Photovoltaik von Green, Würfel und
anderen diskutiert und gewünscht
wird, findet in einem absorbierenden Plasma statt.
- • Die
einzelnen Energieniveaus, insbesondere unter Seriengrenze, der Elemente
und Viel-Niveau-System dar, wiMoleküle der Gasentladung stellen
einen kumuliertes e es theoretisch in der Photovoltaik von Luque,
Green und anderen diskutiert wird.
- • Die
Absorption, Emission, sowie Reabsorption, Reemission und Redistribution
führen
zur energetischen Umverteilung der Photonenenergie, wie sie als
theoretische Up- und Down-Konverter in der Photovoltaik von Green
und anderen diskutiert werden.
-
Die
entscheidenden Vorteile dieser Energieumwandlung liegen
- • in
der Existenz eines Hoch-Temperatur-Prozesses, der technisch realisierbar
und beherrschbar ist, weil die Werkstoffe (auch etwaige Elektroden) der
Anlage nicht die eigentliche Hoch-Temperatur des Absorbers erreichen,
- • in
der hohen Temperatur des Absorbers, welche den hohen Wirkungsrad
nach Carnot ermöglicht,
- • in
der (mit Einschränkung)
zunehmenden Effizienz der Wandlung bei steigender Temperatur des Absorbers,
speziell im Gegensatz zur konventionellen Photovoltaik.
-
7 Zeichnung
-
Zeichnung 1 mit Namen "1":
- 1
- Plasmazelle
- 10
- innenverspiegeltes
druckfestes Entladungsgefäß
- 11
- Elektroden
für primären Entladungsbogen
- 12
- elektrische
Zuleitung für
Elektroden
- 13
- primärer Entladungsbogen
- 20
- stationäres, ortsabhängiges Magnetfeld
- 30
- optische
Strahlung, vorzugsweise hoch bis ultra-hoch konzentrierte solare
Strahlung
- 31
- Fenster
zum Eintritt der Strahlung
- 40
- Elektroden
des sekundären
Entladungsbogen
- 41
- elektrische
Zuleitung für
Elektroden
- 42
- sekundärer Entladungsbogen
nicht vermerkt sind die Dampf- und Gasbestandteile sowie etwaiges
Kondensat
-
Zeichnung 2 mit Namen "2":
-
Schematisches elektrotechnisches Blockschaltbild mit
- 1
- Plasmazelle
-
8 Literatur:
-
- Gorbunov 2006 – Modeling
a plasma photoelectric converter of the focussed optical radiation,
13. Int. Plasma Conference, Kiev, 2006
- Flamant 2004 – Rapport
final Projet Exploratoire « PLASMASOL », Effet
photovoltaïque
dans un photoplasma solaire, PROMES – CNRS (ex IMP), Odeillo, CPAT,
Toulouse, Juillet 2004
- Lister 2004 – G.G.
Lister, J.E. Leister, W.P. Lapatovich, V.A. Godyak, The physics
of discharge lamps, Rev. Mod. Phys., Vol. 76, No. 2, 2004
- Heering 2003 – Heering,
Plasmastrahlungsquellen, Universität Karlsruhe, 2003
- Dunning 1981 – G.J.
Dunning and A.J. Palmer, Journal of Applied Physics, vol. 52, n°12, p. 7086,
1981
- Rodgers 1979 – R.J.
Rodgers, N.L. Krascella and J.S. Kendall, "Solar sustained plasma/absorber conceptual
design", NASA Report
R79-914392, 1978–1979
- Wiesemann 1976 – Wiesemann,
Einführung
in die Gaselektronik, 1976
- Green – z.B.
M.A. Green, Third Generation, Springer, 2003
- Ries – H.
Ries, Complete and Reversible Absorption of Radiation, Appl. Phys.
B 32, 153–156,
1983
- Würfel – z.B.
p. Würfel,
Physik der Solarzelle, Spektrum, Akad. Verl., 1995
- Luque – z.B.
A. Luque, A. Marti: Limiting efficiency of coupled thermal and photovoltaic
converters, Solar Energy Material & Solar Cells, 58, 147–165, 1999
- Bergmann Schaefer – Bergmann
Schaefer, Vielteilchen-Systeme, 1992
- Kohlrausch – Kohlrausch,
Praktische Physik, 1996