DE102006056348A1 - Thermal energy transformation device for electric current production system, has piston cylinder unit supplied with working medium, and control controlling supply of medium to linear expansion device based on measured process parameters - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Bewegungsenergie.The The invention relates to a device for converting thermal energy in mechanical kinetic energy.
Die Erzeugung von elektrischem Strom aus mechanischer Bewegungsenergie ist in vielfältiger Weise mit unterschiedlichen Wirkungsgraden möglich. Meist werden Generatoren verwendet, die eine Rotationsbewegung umsetzen. Solche periodisch arbeitenden Maschinen erzielen aber erst ab einer bestimmten Mindestfrequenz (Drehzahl) einen akzeptablen Wirkungsgrad. Bei nicht konstanter Energiezufuhr ist die Energieumwandlung ineffizient. Verringert sich der Energiezufluß, führt dies zu niedrigeren Drehzahlen, die außerhalb des optimalen Arbeitsbereichs der Maschine liegen. Oft wird dies durch Getriebe kompensiert, was jedoch eine Reduktion des Gesamtwirkungsgrades und höhere Kosten zur Folge hat. Durch Ab- und Wiederanschalten der Maschine ist dieses Problem wegen der dabei auftretenden Verluste nicht befriedigend zu lösen.The Generation of electrical current from mechanical kinetic energy is in many ways possible with different efficiencies. Most are generators used to implement a rotational movement. Such periodically However, working machines achieve only from a certain minimum frequency (Speed) an acceptable efficiency. At not constant Energy input is energy conversion inefficient. decreases the energy influx, does this at lower speeds that are outside the optimal working range lie the machine. Often this is compensated by gear, which but a reduction in overall efficiency and higher costs entails. By switching off and on again the machine is this Problem because of the losses occurring unsatisfactory to solve.
Ein
völlig
anderer Ansatz zur Erzeugung von Strom aus Bewegungsenergie findet
sich in der Veröffentlichung:
Ein weiteres Problem besteht darin, daß durch einen Lineargenerator erzeugte unregelmäßige Spannungsimpulse (einzelne, sporadische Impulse unterschiedlicher Amplitude und Dauer) nicht zur Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz geeignet sind. Bislang wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Spannungsimpulse zunächst in eine Gleichspannung umgewandelt werden. Zur Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz wird diese Gleichspannung durch einen netzsynchronen Wechselrichter in eine geeignete Wechselspannung gewandelt. Diese Maßnahmen gestalten sich jedoch sehr aufwendig und sind im großen Maßstab nur schwer umsetzbar. Außerdem leidet der Wirkungsgrad bei dieser Art der Wandlung. Eine alternative Lösung sieht die Gewinnung von Rotationsenergie aus den Spannungsimpulsen vor. Anschließend erfolgt eine Transformation und Wechselrichtung der Ausgangsspannung in eine zur Einspeisung geeignete Wechselspannung. Auch hier sind der relativ hohe Aufwand und die unvermeidlichen Verluste nachteilig.One Another problem is that by a linear generator generated irregular voltage pulses (single, sporadic pulses of different amplitude and duration) not suitable for feeding into a power supply network. So far, this problem is solved in that the voltage pulses first in be converted to a DC voltage. For feeding into a power supply network This DC voltage is generated by a grid-synchronous inverter converted into a suitable AC voltage. These measures However, they are very elaborate and are only large scale difficult to implement. Furthermore the efficiency suffers in this type of conversion. An alternative solution sees the recovery of rotational energy from the voltage pulses in front. Subsequently there is a transformation and change direction of the output voltage in an AC voltage suitable for feeding. Again, here are the relatively high cost and the inevitable losses disadvantageous.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst einfach aufgebaute und kostengünstige Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Bewegungsenergie zu schaffen, welche wiederum zur Erzeugung von elektrischem Strom nutzbar ist, wobei die Vorrichtung ausschließlich mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.task The invention is as simple as possible built and cost-effective To create a device for generating mechanical kinetic energy, which in turn can be used to generate electricity, the device being exclusive works with high efficiency.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Bewegungsenergie vorgeschlagen, mit einem Arbeitsmedium, einem ersten Wärmereservoir höherer Temperatur, in dem das Arbeitsmedium durch Zufuhr thermischer Energie erwärmt wird und eine Volumenausdehnung erfährt, einem zweiten Wärmereservoir niedrigerer Temperatur, in dem das Arbeitsmedium abgekühlt wird und eine Volumenkontraktion erfährt, einer linearen Expansionseinrichtung, der das sich ausdehnende Arbeitsmedium zugeführt wird, und einer Steuerung, die die Zufuhr des Arbeitsmediums zur linearen Expansionseinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines gemessenen Prozeßparameters steuert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung schafft die Voraussetzung für einen Betrieb der linearen Expansionseinrichtung, der keinem periodischen Systemtakt unterliegt, sondern auf einer gesteuerten Abfolge von einzelnen Arbeitstakten basiert, so daß jeder Arbeitstakt unter optimaler Energieumwandlungseffizienz ablaufen kann. Die Steuerung kann auf der Grundlage einer kontinuierlichen Auswertung des gemessenen Prozeßparameters die zeitliche Abfolge der gleichwertigen Arbeitstakte vorgeben. Im Vergleich zu periodisch arbeitenden Maschinen, wie z.B. bekannten Zweitaktmotoren (Stelzer-Motor, Stirling-Motor), ist die Arbeitstaktdauer nicht proportional zur Taktfrequenz. Im Idealfall erfolgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Übergabe der thermodynamischen Energie an die lineare Expansionseinrichtung und die anschließende Umwandlung der thermodynamischen Energie in mechanische Bewegungsenergie immer mit der gleichen Effizienz, unabhängig davon wie oft dies pro Zeiteinheit durchgeführt wird.to solution This object is a device for the conversion of thermal Energy proposed in mechanical kinetic energy, with a working medium, a first heat reservoir higher Temperature in which the working fluid by supplying thermal energy heated and undergoes a volume expansion, a second heat reservoir lower temperature at which the working medium is cooled and experiencing a volume contraction, a linear expansion device, which is the expanding working medium is fed and a controller that controls the supply of working fluid to the linear Expansion device in dependence controls at least one measured process parameter. The device according to the invention provides the prerequisite for an operation of the linear expansion device, the no periodic system clock but on a controlled sequence of individual Working clocks based, so that everyone Working cycle proceed under optimal energy conversion efficiency can. The control can be based on a continuous Evaluation of the measured process parameter specify the time sequence of the equivalent work cycles. Compared to periodically operating machines, e.g. known Two-stroke engines (Stelzer engine, Stirling engine), is the working stroke duration not proportional to the clock frequency. Ideally, at the Device according to the invention the handover the thermodynamic energy to the linear expansion device and the subsequent one Transformation of the thermodynamic energy into mechanical kinetic energy always with the same efficiency, regardless of how often this is per Time unit performed becomes.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous and appropriate embodiments the device according to the invention are in the subclaims specified.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description and from the attached Drawings to which reference is made. In the drawings show:
Die
Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer Anlage zur Erzeugung
von elektrischem Strom beschrieben. Die in
Der
Linearteil
Hauptkomponenten
des thermodynamischen Teils
Nachfolgend
wird die Funktionsweise der gesamten Anlage beschrieben. Grundsätzlich arbeitet die
Anlage nach folgendem Prinzip: Zunächst wird thermische Energie
(Wärmeenergie)
in einem thermodynamischen Kreisprozeß in thermodynamische Energie
(Dampfdruck) umgewandelt. Der Dampfdruck wird im Eintakt-Motor in
mechanische Bewegungsenergie (kinetische Energie) umgesetzt. Die Bewegungsenergie
wird schließlich
mittels des Lineargenerators
Das
Arbeitsmedium wird durch Zufuhr thermischer Energie erwärmt und
verdampft, was zu einer starken Volumenausdehnung des Arbeitsmediums
führt.
Als Wärmetauscher
Die
Erwärmung/Verdampfung
des Arbeitsmediums ist bezogen auf den Gesamtprozeß zeitunabhängig und
unterliegt keinen permanenten Mindestanforderungen. Grundsätzlich ist
auch ein Kreisprozeß denkbar,
der nur auf Erwärmung und
Abkühlung
des Arbeitsmediums basiert (ohne Verdampfen und Kondensieren); der
Gesamtwirkungsgrad wäre in
diesem Fall aber deutlich niedriger. Als Arbeitsmedium für den thermodynamischen
Teil
Wie
in
Die
mittels der Steuerung
Mit
dem Kolben
In
Die
beiden zuvor beschriebenen Arbeitstakte sind völlig unabhängig voneinander (insbesondere zeitlich),
es ist also keine vorab festgelegte periodische Taktfolge vorgesehen
wie bei bekannten Mehrtaktmotoren. Vielmehr wird ein einzelner Arbeitstakt situationsbedingt
eingeleitet, d.h. nur wenn bestimmte Kriterien erfüllt sind
(insbesondere ein ausreichender Druck des Arbeitsmediums), sorgt
die Steuerung
Die
Besonderheit beim Betrieb der Kolben-Zylinder-Einheit
Die
Dimensionen von Kolbenhub und -fläche der Kolben-Zylinder-Einheit
Wie
bereits angedeutet erfolgt die Regelung des thermodynamischen Kreisprozesses
und des Eintakt-Motors mit einer Vielzahl geeigneter Sensoren (Druck-,
Temperatur-, Füllstandssensoren,
etc.) und der Steuerung
Eine
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage wird aus der folgenden
Betrachtung ersichtlich. Bei geringer thermischer Energiezufuhr wird
der theoretisch mögliche
Wirkungsgrad bei der thermodynamischen Umwandlung von Wärmeenergie
in mechanische Energie durch den Carnot-Wirkungsgrad reduziert:
Eine
durch die Steuerung
Im
optionalen Wärmespeicher
Eine
Weiterbildung des thermodynamischen Teils
Anstelle
der Solar-Panels können
auch andere Einrichtungen zur thermischen Energiezufuhr von regenerativen
Wärmequellen
(z.B. Thermalquelle) verwendet werden. Auch kann mittels geeigneter Wärmetauscher
Mit den oben beschriebenen Maßnahmen dürfte ein konstanter Gesamtwirkungsgrad für die Umwandlung der thermischen Energie in elektrischen Strom von ηgesamt > 15 % erzielbar sein.With the measures described above, a constant total efficiency for the conversion of the thermal energy into electrical current of η total > 15% should be achievable.
Die
Wandlung der vom Lineargenerator
- – Die Spannungsimpulse sind
(deutlich) länger
als der Kehrwert der zu erzeugenden Netzfrequenz und bewegen sich
in einem Spannungsbereich, die der Wechselrichter
54 als Eingangsspannung benötigt. - – Das zu speisende Stromversorgungsnetz muß in der Lage sein, sporadisch erzeugte Netzleistung aufzunehmen. Diese Art der Spannungswandlung eignet sich in seiner einfachen Form daher nicht für autarke Stromversorgungssysteme.
- - The voltage pulses are (significantly) longer than the reciprocal of the line frequency to be generated and move in a voltage range that the inverter
54 needed as input voltage. - - The power supply network to be fed must be able to absorb sporadically generated network power. This type of voltage conversion is therefore not suitable for self-sufficient power supply systems in its simple form.
Der
verwendete Wechselrichter
Gemäß einer Weiterbildung dieses Aspekts können Leerlaufzeiten eines Generators oder Schwankungen bei der Netzeinspeisung zumindest teilweise durch eine Anordnung mehrerer Generatoren kompensiert werden, die zeitlich versetzte Arbeitstakte haben. Die Generatoren können entweder jeweils mit einem Wechselrichter parallelgeschaltete Generator-Wechselrichter-Paare bilden oder kostengünstig alle an denselben Wechselrichter gekoppelt sein, was jedoch zu einer geringeren Effizienz führt.According to one Further education of this aspect can Idle times of a generator or fluctuations in the grid feed at least partially compensated by an arrangement of multiple generators who have staggered work cycles. The generators can either in each case with an inverter parallel-connected generator-inverter pairs form or inexpensive all be coupled to the same inverter, which, however, to a lower efficiency leads.
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Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200610056348 DE102006056348A1 (en) | 2006-11-29 | 2006-11-29 | Thermal energy transformation device for electric current production system, has piston cylinder unit supplied with working medium, and control controlling supply of medium to linear expansion device based on measured process parameters |
Applications Claiming Priority (1)
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DE200610056348 DE102006056348A1 (en) | 2006-11-29 | 2006-11-29 | Thermal energy transformation device for electric current production system, has piston cylinder unit supplied with working medium, and control controlling supply of medium to linear expansion device based on measured process parameters |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102006056348A1 true DE102006056348A1 (en) | 2008-06-05 |
Family
ID=39338786
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE200610056348 Withdrawn DE102006056348A1 (en) | 2006-11-29 | 2006-11-29 | Thermal energy transformation device for electric current production system, has piston cylinder unit supplied with working medium, and control controlling supply of medium to linear expansion device based on measured process parameters |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE102006056348A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014089716A3 (en) * | 2012-12-12 | 2014-08-28 | Brütsch David | Device for extracting electric energy from thermal energy |
WO2020242843A1 (en) * | 2019-05-21 | 2020-12-03 | General Electric Company | System for energy conversion |
CN113423932A (en) * | 2019-02-05 | 2021-09-21 | 比泽尔制冷设备有限公司 | Expansion device and device for obtaining electrical energy from heat |
-
2006
- 2006-11-29 DE DE200610056348 patent/DE102006056348A1/en not_active Withdrawn
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WO2014089716A3 (en) * | 2012-12-12 | 2014-08-28 | Brütsch David | Device for extracting electric energy from thermal energy |
CN113423932A (en) * | 2019-02-05 | 2021-09-21 | 比泽尔制冷设备有限公司 | Expansion device and device for obtaining electrical energy from heat |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SCHILLING, GERHARD, 86529 SCHROBENHAUSEN, DE |
|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DYNATRONIC GMBH, 86529 SCHROBENHAUSEN, DE |
|
8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: SCHILLING, GERHARD, 86529 SCHROBENHAUSEN, DE |
|
R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |
Effective date: 20131130 |