DE102010054270A1

DE102010054270A1 - Durch Formgedächtnislegierung angetriebene Energieerzeugungsanlage samt Verfahren

Info

Publication number: DE102010054270A1
Application number: DE102010054270A
Authority: DE
Inventors: Marten 55218 Wittorf; Alan L. Mich. Browne; Nancy L. Mich. Johnson; James Holbrook Calif. Brown
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2011-08-25
Also published as: US8299637B2; US20110140456A1; CN102121462B; CN102121462A

Abstract

Eine Energieerzeugungsanlage, die zum Umwandeln von thermischer Energie in elektrischen Strom ausgelegt ist, umfasst eine Quelle thermischer Energie, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen einem primären Fluid mit einer ersten Temperatur und einem sekundären Fluid mit einer zweiten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet, vorgesehen wird. Die Anlage umfasst auch einen Kollektor, der zum Verstärken der Temperaturdifferenz zwischen dem primären und dem sekundären Fluid ausgelegt ist, und eine Wärmekraftmaschine, die zum Umwandeln mindestens eines Teils von thermischer Energie in mechanische Energie ausgelegt ist. Die Wärmekraftmaschine umfasst eine pseudoplastisch vorgedehnte Formgedächtnislegierung, die in Wärmetauschbeziehung mit jedem von primärem Fluid und sekundärem Fluid angeordnet ist. Die Anlage umfasst ferner einen Generator, der von der Wärmekraftmaschine angetrieben wird und zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrischen Strom ausgelegt ist. Es wird ein Verfahren zum Nutzen einer natürlich vorkommenden Temperaturdifferenz zwischen Luft und/oder Wasser, um eine kristallographische Phase der Formgedächtnislegierung zu ändern, um die Temperaturdifferenz in mechanische Energie umzuwandeln, offenbart.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Energieumwandlung und insbesondere eine Energieerzeugungsanlage zum Umwandeln von thermischer Energie in elektrischen Strom sowie ein Verfahren zum Umwandeln einer Temperaturdifferenz in mechanische Energie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Da der Bedarf an elektrischem Strom weiter steigt, haben Energieerzeugungsanlagen, die zum Erzeugen von elektrischem Strom ausgelegt sind, zunehmend an Bedeutung gewonnen. Herkömmliche Stromerzeugungsanlagen umfassen häufig einen Generator, der zum Beispiel durch ein Wasserrad, eine Dieselmaschine oder eine Dampfturbine angetrieben wird. Der Generator kann dann eine Form von Energie in eine andere, zum Beispiel elektrischen Strom, umwandeln.
Thermische Energie ist eine Form von Energie, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen Objekten, Bereichen und/oder Fluiden vorgesehen wird. Zum Beispiel kann ein primäres Fluid eine vergleichsweise höhere Temperatur als die eines sekundären Fluids aufweisen und dadurch eine Quelle thermischer Energie vorsehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Energieerzeugungsanlage, die zum Umwandeln von thermischer Energie in elektrischen Strom ausgelegt ist, umfasst eine Quelle thermischer Energie. Die Quelle thermischer Energie wird durch eine Temperaturdifferenz zwischen einem primären Fluid mit einer ersten Temperatur und einem sekundären Fluid mit einer zweiten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet, vorgesehen. Die Energieerzeugungsanlage umfasst auch einen Kollektor, der zum Verstärken der Temperaturdifferenz zwischen dem primären Fluid und dem sekundären Fluid ausgelegt ist. Ferner umfasst die Energieerzeugungsanlage eine Wärmekraftmaschine und einen Generator. Die Wärmekraftmaschine ist in einer Kombination, die eine pseudoplastisch vorgedehnte Formgedächtnislegierung umfasst, die in Wärmetauschbeziehung mit jedem von primärem Fluid und sekundärem Fluid angeordnet ist, zum Umwandeln von mindestens einem Teil von thermischer Energie in mechanische Energie ausgelegt. Der Generator ist zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrischen Strom ausgelegt und wird von der Wärmekraftmaschine angetrieben.
Bei einer Variante umfasst die Energieerzeugungsanlage auch eine Plattform, die in dem sekundären Fluid schwimmend angeordnet und zum Lagern mindestens eines von Wärmekraftmaschine, Generator und Kollektor für Schwimmen in Bezug auf das sekundäre Fluid ausgelegt ist.
Ein Verfahren zum Nutzen einer natürlich auftretenden Temperaturdifferenz zwischen Luft und/oder Wasser, um eine kristallographische Phase einer pseudoplastisch vorgedehnten Formgedächtnislegierung zu ändern, um dadurch die Temperaturdifferenz in mechanische Energie umzuwandeln, umfasst das ausreichende Ausrichten der Formgedächtnislegierung in eine Wärmeübertragungsbeziehung mit Luft und/oder Wasser, die die Temperaturdifferenz aufweisen, so dass sich die Formgedächtnislegierung ausreichend ausdehnt und/oder zusammenzieht, wenn die Formgedächtnislegierung die kristallographische Phase ändert. Das Verfahren umfasst auch das Umwandeln der Temperaturdifferenz zwischen der Luft und/oder Wasser in mechanische Energie.
Die Energieerzeugungsanlagen samt Verfahren der vorliegenden Erfindung sehen eine ausgezeichnete Umwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom vor. D. h. die Energieerzeugungsanlagen gewinnen thermische Energie und erzeugen elektrischen Strom. Die Energieerzeugungsanlagen können landgestützt oder seegestützt sein und können natürlich vorkommende thermische Energie, wie etwa thermische Energie zwischen Fluiden auf unterschiedlichen Höhen oder an getrennten Orten, gewinnen. Und die Energieerzeugungsanlagen können als Reaktion auf minimale Temperaturdifferenzen zwischen Fluiden betrieben werden und elektrischen Strom erzeugen.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm einer Energieerzeugungsanlage, die in einem Fluid schwimmend angeordnet ist und einen Kollektor, eine Wärmekraftmaschine und einen durch die Wärmekraftmaschine angetriebenen Generator umfasst;
2 ist eine schematische Perspektivansicht des Generators und der Wärmekraftmaschine zur Kombination innerhalb der Energieerzeugungsanlage von 1;
3 ist ein schematisches Diagramm der Energieerzeugungsanlage von 1, die einen einfahrbaren und ausfahrbaren Einlasskanal umfasst;
4 ist ein schematisches Diagramm der Energieerzeugungsanlage von 1, die an Land angeordnet ist;
5 ist ein schematisches Diagramm der Energieerzeugungsanlage von 1, die an Land angeordnet ist und einen Isolator umfasst, der gegenüberliegend zu und getrennt von dem Kollektor beabstandet ist; und
6 ist ein schematisches Diagramm der Energieerzeugungsanlage von 1, die an Land angeordnet ist und einen Einlasskanal umfasst, der von einem Fluid von einer erhöhten Landmasse umgeben ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen, ist in 1 eine Energieerzeugungsanlage allgemein bei 10 gezeigt. Die Energieerzeugungsanlage 10 ist zum Gewinnen und Umwandeln von thermischer Energie in elektrischen Strom ausgelegt und kann daher für Anwendungen wie etwa Liefern von elektrischem Strom zu einem Stromversorgungsnetz nützlich sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Ein solcher elektrischer Strom kann gleichfalls für Anwendungen im Haushalt und in der Industrie, einschließlich Beleuchtung von Wohngebäuden und Geschäften, Versorgen von Industrieanlagen mit Energie und/oder Speichern von elektrischen Stromreserven zur Verwendung während Strombedarf-Spitzenzeiten, nützlich sein.
Unter Bezug nun auf 1 umfasst die Energieerzeugungsanlage 10 eine Quelle thermischer Energie, die durch eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen einem primären Fluid 12 mit einer ersten Temperatur T₁. und einem sekundären Fluid 14 mit einer zweiten Temperatur T₂, die sich von der ersten Temperatur T₁ unterscheidet, vorgesehen wird. Die erste Temperatur T₁ kann insbesondere höher oder anders als die zweite Temperatur T₂ sein. Bei der Energieerzeugungsanlage 10 kann die Temperaturdifferenz ΔT kleiner oder gleich etwa 300°C sein. Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Temperatur T₁ und der zweiten Temperatur T₂ kann zum Beispiel bei nur etwa 5°C und nicht mehr als etwa 100°C liegen. Anders gesagt kann die Temperaturdifferenz ΔT größer oder gleich etwa 5°C und kleiner oder gleich etwa 30°C sein, z. B. kleiner oder gleich etwa 10°C.
Das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 können jeweils aus der Gruppe von Gasen, Flüssigkeiten, Fließbetten von Feststoffen und Kombinationen derselben gewählt sein. Mindestens eines von primärem Fluid 12 und sekundärem Fluid 14 kann zum Beispiel eine Flüssigkeit sein. Bei manchen Varianten kann analog, wie etwa in 5 gezeigt, mindestens eines von primärem Fluid 12 und sekundärem Fluid 14 ein Gas sein (durch Pfeile 12 bzw. 14 angedeutet). Zudem kann das primäre Fluid 12 eine andere Form, d. h. Phase, als das sekundäre Fluid 14 haben. Zum Beispiel kann das primäre Fluid 12 eine Flüssigkeit sein und das sekundäre Fluid 14 kann ein Gas sein. Ferner kann das primäre Fluid 12 die gleiche Zusammensetzung wie oder eine andere als das sekundäre Fluid 14 haben. Bei einer Variante können das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 jeweils Wasser sein, doch kann das Wasser des primären Fluids 12 eine erste Temperatur T₁ (1) aufweisen, die höher als die zweite Temperatur T₂ des Wassers des sekundären Fluids 14 ist.
Unter Bezug auf 1 und 3–6 kann die Quelle thermischer Energie landgestützt (5 und 6), seegestützt (1 und 3) oder eine Kombination von land- und seegestützt (4) sein. Wie hierin verwendet umfasst der Begriff ”seegestützt” eine beliebige Quelle thermischer Energie, die aus einem beliebigen Gewässer, z. B. einem Fluss, See, Strom, Bach, Teich, Ozean, Tümpel, einer Flussmündung, einem Sumpf, Marsch, Moor und dergleichen vorliegt. Wie hierin verwendet umfasst der Begriff ”landgestützt” analog eine beliebige Quelle thermischer Energie, wie etwa Erdwärme, von einem beliebigen Terrain, z. B. Gebirge, Tundra, Wüste, Grünland, Vegetation, Hochebenen, Felsen, zersetzenden Mülldeponien und dergleichen. Unabhängig davon, ob die Quelle thermischer Energie landgestützt, seegestützt oder eine Kombination von land- und seegestützt ist, können das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 im Einzelnen jeweils zum Beispiel Luft bei einer ersten Höhe und Luft bei einer zweiten Höhe sein (5), Wasser bei einer ersten Höhe und Luft bei einer zweiten Höhe (6) oder Wasser bei einer ersten Tiefe und Wasser bei einer zweiten Tiefe (1, 3 und 4) sein.
Die Energieerzeugungsanlage 10 umfasst unter erneutem Bezug auf 1 auch einen Kollektor 16, der zum Verstärken der Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem primären Fluid 12 und dem sekundären Fluid 14 ausgelegt ist. Zum Beispiel kann der Kollektor 16 das primäre Fluid 12 speichern und/oder erwärmen und das primäre Fluid 14 zu den anderen Komponenten der Energieerzeugungsanlage 10 leiten. Analog kann der Kollektor 16 das sekundäre Fluid 14 speichern und/oder kühlen. Bei Ausführungsformen, die Wasser als primäres Fluid umfassen, versteht sich, dass der Kollektor 16 ein oberster Bereich von Wasser sein kann, das nach Temperatur geschichtet ist, z. B. ein Bereich von Wasser, der durch die Sonne erwärmt ist. Der Kollektor 16 kann als Sammelpunkt für mindestens eines von primärem Fluid 12 und sekundärem Fluid 14 dienen und kann mindestens eines von erster Temperatur T₁ und zweiter Temperatur T₂ ändern, um dadurch die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem primären und sekundären Fluid 12, 14 zu steigern. Anders gesagt kann der Kollektor 16 die Temperaturdifferenz ΔT erzeugen. Daher kann der Kollektor 16 einen Betriebstemperaturbereich der Energieerzeugungsanlage 10 durch Sicherstellen einer hinreichenden Quelle thermischer Energie zum Betreiben von Komponenten der Energieerzeugungsanlage 10 verbessern, wie nachstehend näher dargelegt wird.
In einer Variante kann der Kollektor 16 ein Sonnenkollektor sein, der zum Übertragen von Solarenergie (durch Pfeile S angedeutet) zu dem primären Fluid 12 ausgelegt ist. D. h. der Sonnenkollektor 16 kann Solarenergie sammeln und/oder bündeln und das primäre Fluid 12 auf die erste Temperatur T₁ erwärmen. Deshalb kann der Sonnenkollektor 16 im Allgemeinen sicherstellen, dass das primäre Fluid 12 eine höhere Temperatur als die zweite Temperatur T₂ des sekundären Fluids 14 aufweist.
Jeder Sonnenkollektor 16, der zum Nutzbarmachen und Übertragen von Solarenergie zu dem primären Fluid 12 ausgelegt ist, ist geeignet. Der Sonnenkollektor 16 kann zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, mehrere (in 1 und 3–6 allgemein gezeigte) Solarmodule, die ausgelegt sind, um das primäre Fluid 12 aufzunehmen und/oder umzuwälzen, mehrere Spiegel (nicht gezeigt), Kühlschleifen von Photovoltaikzellen (nicht gezeigt) und Kombinationen derselben sein. Es versteht sich, dass der Sonnenkollektor 16 auch ein Sammel- und Speichersystem sein kann, das Solarzellen, Ventile, Rohrleitungen, Sensoren und dergleichen umfasst.
Unter Bezug nun auf 1 und 2 umfasst die Energieerzeugungsanlage 10 eine Wärmekraftmaschine 18. Die Wärmekraftmaschine 18 ist ausgestaltet, um mindestens etwas thermische Energie, z. B. Wärme, in mechanische Energie umzuwandeln, wie es nachstehend ausführlicher dargelegt wird. Genauer umfasst die Wärmekraftmaschine 18 eine pseudoplastisch vorgedehnte Formgedächtnislegierung 20 (2), die eine kristallographische Phase aufweist, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem primären Fluid 12 und dem sekundären Fluid 14 zwischen Austenit und Martensit wechseln kann (1).
Der Begriff ”pseudoplastisch vorgedehnt” bezeichnet ein Strecken des Formgedächtnislegierungselements 18, während sich die Formgedächtnislegierung 20 in der Martensitphase befindet, so dass die von der Formgedächtnislegierung 20 unter Last aufgezeigte Dehnung bei Entlasten nicht vollständig wieder hergestellt wird. D. h. die Formgedächtnislegierung 20 scheint sich bei Entlasten plastisch verformt zu haben, doch wenn sie auf die Austenitstarttemperatur A_s erwärmt wird, kann die Dehnung wiederhergestellt werden, so dass die Formgedächtnislegierung 20 zu der ursprünglichen Länge zurückkehrt, die vor dem Anlegen einer Last beobachtet wurde. Die Formgedächtnislegierung 20 kann ferner vor dem Einbau in die Wärmekraftmaschine 18 gestreckt werden, so dass die Nennlänge der Formgedächtnislegierung 20 die wiederherstellbare pseudoplastische Dehnung umfasst, die die zum Antreiben der Wärmekraftmaschine 18 verwendete Bewegung vorsieht.
Wie hierin verwendet bezeichnet der Begriff ”Formgedächtnislegierung” ferner bekannte Legierungen, die einen Formgedächtniseffekt aufweisen und die Fähigkeit haben, Eigenschaften im Sinne von Steifheit, Federkonstante und/oder Formstabilität schnell zu ändern. Das heißt, die Formgedächtnislegierung 20 kann einen Phasenwechsel aus dem festen Zustand über eine kristalline Umordnung erfahren, um zwischen einer Martensitphase, d. h. ”Martensit”, und einer Austenitphase, d. h. ”Austenit”, zu wechseln. Anders ausgedrückt kann die Formgedächtnislegierung 20 eine displazive Umwandlung statt einer diffusionellen Umwandlung erfahren, um zwischen Martensit und Austenit zu wechseln. Im Allgemeinen bezieht sich die Martensitphase auf die Phase mit vergleichsweise niedrigerer Temperatur und ist häufig stärker verformbar als die Austenitphase mit vergleichsweise höherer Temperatur. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 20 beginnt, von der Austenitphase in die Martensitphase zu wechseln, ist als die Martensitstarttemperatur M_s bekannt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 20 den Wechsel von der Austenitphase in die Martensitphase abschließt, ist als die Martensitendtemperatur M_f bekannt. Wenn die Formgedächtnislegierung 20 erwärmt wird, ist analog die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 20 beginnt, von der Martensitphase in die Austenitphase zu wechseln, als die Austenitstarttemperatur A_s bekannt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 20 den Wechsel von der Martensitphase in die Austenitphase abschließt, ist als die Austenitendtemperatur A_f bekannt.
Daher kann die Formgedächtnislegierung 20 durch einen kalten Zustand, d. h. wenn eine Temperatur der Formgedächtnislegierung 20 unter der Martensitendtemperatur M_f der Formgedächtnislegierung 20 liegt, charakterisiert sein. Gleichermaßen kann die Formgedächtnislegierung 20 auch durch einen heißen Zustand charakterisiert sein, d. h. wenn die Temperatur der Formgedächtnislegierung 20 oberhalb der Austenitendtemperatur A_f der Formgedächtnislegierung 20 liegt.
Im Betrieb, d. h. wenn sie der Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem primären Fluid 12 und dem sekundären Fluid 14 ausgesetzt ist, kann die Formgedächtnislegierung 20 nach dem Wechsel der kristallographischen Phase die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Das heißt, die Formgedächtnislegierung 20 kann die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit wechseln und sich dadurch maßlich zusammenziehen, falls sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Umgekehrt kann die Formgedächtnislegierung 20 die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit andern und sich unter Zugspannung dadurch im Maß ausdehnen, um bereit zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie zu sein. D. h. die Formgedächtnislegierung 20 kann sich unter Spannung maßlich ausdehnen, um bereit zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie zu sein, wenn sie über die Austenitendtemperatur A_f erwärmt wird.
Die Formgedächtnislegierung 20 kann irgendeine geeignete Zusammensetzung aufweisen. Insbesondere kann die Formgedächtnislegierung 20 in Kombination ein Element umfassen, das aus der Gruppe von Kobalt, Nickel, Titan, Indium, Mangan, Eisen, Palladium, Zink, Kupfer, Silber, Gold, Cadmium, Zinn, Silizium, Platin und Gallium ausgewählt ist. Zum Beispiel können geeignete Formgedächtnislegierungen 18 Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Nickel-Kobalt-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Mangan-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und Kombinationen einer oder mehrerer jeder dieser Kombinationen umfassen. Die Formgedächtnislegierung 20 kann binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Formgedächtnislegierung 20 einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, Dämpfungskapazität und dergleichen, aufweist. Ein Fachmann kann erfindungsgemäß die Formgedächtnislegierung 20 gemäß gewünschten Betriebstemperaturen der Energieerzeugungsanlage 10 (1) wählen, wie es nachstehend ausführlicher dargelegt wird. In einem besonderen Beispiel kann die Formgedächtnislegierung 20 Nickel und Titan umfassen.
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 20 irgendeine geeignete Gestalt, d. h. Form, aufweisen. Zum Beispiel kann die Formgedächtnislegierung 20 als formveränderndes Element ausgelegt sein. D. h. die Formgedächtnislegierung 20 kann eine Gestalt aufweisen, die aus der Gruppe von Federn, Streifen, Drähten, Bändern, durchgehenden Schleifen und Kombinationen davon ausgewählt ist. Unter Bezugnahme auf 2 kann in einer Abwandlung die Formgedächtnislegierung 20 als durchgehende Schleifenfeder gebildet sein.
Die Formgedächtnislegierung 20 kann thermische Energie in mechanische Energie über irgendeine geeignete Weise umwandeln. Zum Beispiel kann die Formgedächtnislegierung 20 ein Riemenscheibensystem aktivieren (das in 2 allgemein gezeigt und nachstehend ausführlicher dargelegt wird), einen Hebel (nicht gezeigt) in Eingriff bringen, ein Schwungrad (nicht gezeigt) rotieren, eine Schraube (nicht gezeigt) in Eingriff bringen, und dergleichen.
Unter erneutem Bezug auf 1 und 2 umfasst die Energieumwandlungsvorrichtung 10 auch einen Generator 22. Der Generator 22 ist zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrischen Strom (in 2 allgemein durch Bezugszeichen EE dargestellt) ausgelegt. Der Generator 22 kann jede geeignete Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie zu elektrischem Strom EE sein. Der Generator 22 kann zum Beispiel ein Stromgenerator sein, der unter Verwenden von elektromagnetischer Induktion mechanische Energie in elektrischen Strom EE umwandelt, und kann einen (nicht gezeigten) Rotor umfassen, der bezüglich eines (nicht gezeigten) Stators dreht.
Unter Bezug auf 2 wird der Generator 22 durch die Wärmekraftmaschine 18 angetrieben. Das heißt, mechanische Energie, die aus der Umwandlung thermischer Energie durch die Formgedächtnislegierung 20 resultiert, kann den Generator 22 antreiben. Insbesondere treibt die Abmessungszusammenziehung und die Abmessungsausdehnung der Formgedächtnislegierung 20 den Generator 22 an.
Genauer kann in einer in 2 gezeigten Variante die Wärmekraftmaschine 18 einen Rahmen 24 umfassen, der ausgestaltet ist, um ein oder mehrere Räder oder Scheiben 26, 28, 30, 32, die auf mehreren Achsen 34, 36 angeordnet sind, zu lagern. Die Räder oder Scheiben 26, 28, 30, 32 können mit Bezug auf den Rahmen 24 rotieren, und die Formgedächtnislegierung 20 kann durch die Räder oder Scheiben 26, 28, 30, 32 abgestützt sein und sich dort entlang bewegen. Die Drehzahl der Räder oder Scheiben 26, 28, 30, 32 kann wahlweise durch einen oder mehrere Zahnradsätze 38 abgewandelt werden. Darüber hinaus kann der Generator 22 eine Antriebswelle 40 umfassen, die an dem Rad oder der Scheibe 28 angebracht ist. Wenn die Räder oder Scheiben 26, 28, 30, 32 als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung 20 um die jeweiligen Achsen 34, 36 der Wärmekraftmaschine 18 rotieren oder drehen, rotiert die Antriebswelle 40 und treibt den Generator 22 an. Der Generator 22 erzeugt dann elektrischen Strom EE, so dass mechanische Energie in elektrischen Strom EE umgewandelt wird.
Unter erneutem allgemeinen Bezug auf 1 kann die Energieerzeugungsanlage 10 abhängig von der erwünschten Anwendung, die eine Umwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom EE (2) erfordert, eine beliebige geeignete Auslegung, Form und/oder Größe haben. Zum Beispiel können die Wärmekraftmaschine 18 und der Generator 22 treibend verbunden und in einem Gehäuse 42 angeordnet sein. Das Gehäuse 42 kann die Wärmekraftmaschine 18 und den Generator 22 vor Korrosion, Einwirken von Umgebungselementen und dergleichen schützen. Das Gehäuse 42 kann durch andere Elemente der Energieerzeugungsanlage 10 gelagert sein (1, 3 und 5), kann in einer Landmasse 44 teilweise versenkt sein (4 und 6) und/oder kann von (nicht gezeigt) einer Landmasse wie 44 gelagert sein, wie nachstehend näher dargelegt wird. Im Allgemeinen kann das Gehäuse 42 einen Innenraum haben, der so ausgelegt ist, dass er einen vergleichsweise heißen Bereich (in 1 schematisch durch Gebiet H dargestellt) und einen vergleichsweise kalten Bereich (in 1 durch Gebiet C dargestellt) umfasst. Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen Gebiet H und Gebiet C lässt eine Umwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom EE (2) zu.
Das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 können in dem Gehäuse 42 in Kontakt stehen oder können in dem Gehäuse 42 voneinander getrennt sein, solange die Fluide 12, 14 in Wärmetauschbeziehung stehen, d. h. zueinander so angeordnet sind, dass zwischen dem primären Fluid 12 und der Wärmekraftmaschine 18 und/oder zwischen dem sekundären Fluid und der Wärmekraftmaschine 18 thermische Energie übertragen wird.
Wie allgemein in 1 gezeigt ist, ist die Wärmekraftmaschine 18, und genauer die Formgedächtnislegierung 20 (2) der Wärmekraftmaschine 18, in Wärmetauschbeziehung mit einem jeden von dem primären Fluid 12 und dem sekundären Fluid 14 angeordnet. D. h. die Formgedächtnislegierung 20 ist relativ zu jedem von primärem Fluid 12 und sekundärem Fluid 14 so angeordnet, dass sie auf die erste Temperatur T₁ und/oder die zweite Temperatur T₂ anspricht. Zum Beispiel kann die Formgedächtnislegierung 20 der Wärmekraftmaschine 18 in Kontakt mit dem primären Fluid 12 und dem sekundären Fluid 14 angeordnet sein. Daher kann die Formgedächtnislegierung 20 die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln, wenn sie in Wärmetauschbeziehung mit einem von primärem Fluid 12 und sekundärem Fluid 14 steht. Zum Beispiel kann die Formgedächtnislegierung 20 bei Wärmetauschbeziehung mit dem primären Fluid 12 von Martensit nach Austenit wechseln. Bei Wärmetauschbeziehung mit dem sekundären Fluid 14 kann die Formgedächtnislegierung 20 analog von Austenit nach Martensit wechseln.
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 20 nach dem Wechsel der kristallographischen Phase die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Genauer gesagt kann sich die Formgedächtnislegierung 20, wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei Wechseln der kristallographischen Phase von Martensit nach Austenit maßlich zusammenziehen und kann sich bei Wechseln der kristallographischen Phase von Austenit nach Martensit maßlich ausdehnen, wenn sie unter Zugspannung steht, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Deshalb kann sich die Formgedächtnislegierung 20 für jede Bedingung, bei der die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Temperatur T₁ (1) des primären Fluids 12 und der zweiten Temperatur T₂ (1) des sekundären Fluids 14 vorhanden ist, d. h. wobei das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 2 nicht in thermischem Gleichgewicht sind, nach Wechsel der kristallographischen Phase zwischen Martensit und Austenit maßlich ausdehnen und zusammenziehen. Und der Wechsel der kristallographischen Phase der Formgedächtnislegierung 20 ist ausreichend, um den Generator 22 anzutreiben.
Die Formgedächtnislegierung 20 hat eine vergleichsweise kleinere Energiehysterese als herkömmliche Formgedächtnislegierungen und spricht auf minimale Temperaturdifferenzen an. Folglich kann die die Formgedächtnislegierung 20 umfassende Energieerzeugungsanlage 10 eine vergleichsweise größere Leistungsabgabe, z. B. mechanische Energie und/oder elektrischen Strom EE (2), erzeugen als herkömmliche Formgedächtnislegierungen. Anders gesagt weist die Energieerzeugungsanlage 10 ausgezeichnete Effizienz auf und wandelt zum Beispiel selbst bei einer Temperaturdifferenz ΔT von weniger als oder gleich etwa 10°C einen maximalen Betrag von thermischer Energie in mechanische Energie und/oder elektrischen Strom EE um. Und wenn die Temperaturdifferenz ΔT zunimmt, spricht die Energieerzeugungsanlage 10 stärker an. D. h. bei vergleichsweise größeren Temperaturdifferenzen ΔT kann die Energieerzeugungsanlage 10 thermische Energie in einer kürzeren Zeitdauer zum Erzeugen eines vergleichsweise größeren Betrags an mechanischer Energie und/oder elektrischem Strom (2) umwandeln.
Im Betrieb ist unter Bezugnahme auf die Energieerzeugungsanlage 10 von 1 und wie mit Bezug auf die Beispielkonfiguration der Formgedächtnislegierung 20, die in 2 gezeigt ist, beschrieben, ein Rad oder eine Scheibe 26 mindestens ausreichend in das primäre Fluid 12 eingetaucht, während ein anderes Rad oder eine andere Scheibe 30 in das sekundäre Fluid 14 mindestens ausreichend eingetaucht ist. Da sich ein Gebiet (allgemein durch Pfeil A angedeutet) der Formgedächtnislegierung 20 unter Zugspannung maßlich ausdehnt, wenn es in Wärmetauschbeziehung mit dem sekundären Fluid 14 ist, z. B. wenn es ausreichend in das sekundäre Fluid 14 eingetaucht ist, zieht sich ein anderes Gebiet (allgemein durch Pfeil B angedeutet) der Formgedächtnislegierung 20 in Wärmetauschbeziehung mit dem primären Fluid 12, z. B. wenn es ausreichend in das primäre Fluid 12 eingetaucht ist, maßlich zusammen, wenn es pseudoplastisch vorgedehnt ist. Das abwechselnde maßliche Zusammenziehen und Ausdehnen der Gestalt der durchgehenden Federschleife aus der Formgedächtnislegierung 20 kann, wenn sie der Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem primären Fluid 12 und dem sekundären Fluid 14 ausgesetzt ist, potentielle mechanische Energie in kinetische mechanische Energie umwandeln und dadurch thermische Energie in mechanische Energie umwandeln. Daher werden für optimalen Wirkungsgrad der Energieerzeugungsanlage 10 das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 vorzugsweise schnell aufgefrischt, um die Temperaturdifferenz ΔT zwischen den Fluiden 12, 14 beizubehalten.
Unter erneutem Bezug auf 1 können die Wärmekraftmaschine 18 und der Generator 22 an einer beliebigen Stelle in der Energieerzeugungsanlage 10 angeordnet sein, solange die Wärmetauschabschnitte der Formgedächtnislegierung 20 in ausreichendem Wärmetauschkontakt mit einem jeweiligen primären Fluid 12 und sekundären Fluid 14 angeordnet sind. Das Gehäuse 42 kann ferner die Wärmekraftmaschine 18 und den Generator 22 vollständig einschließen, oder das Gehäuse 42 kann belüftet sein (nicht gezeigt). D. h. das Gehäuse 42 kann (nicht gezeigte) Hohlräume ausbilden, durch die elektronische Komponenten wie etwa Drähte und/oder das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 treten können. Ferner kann jeder Hohlraum einen Filter (nicht gezeigt) umfassen, der zum Entfernen von Verunreinigungen aus dem primären Fluid 12 und/oder dem sekundären Fluid 14 ausgelegt ist.
Das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 können durch das Gehäuse 42 strömen, aber in dem Gehäuse 42 getrennt bleiben. Zum Beispiel kann das primäre Fluid 12 durch eine Dichtung oder Barriere von dem sekundären Fluid 14 getrennt sein.
Alternativ könnten das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 nicht durch das Gehäuse 42 strömen. D. h. ein Abschnitt des Rahmens 24 (2) der Wärmekraftmaschine 18 kann sich von dem Gehäuse 42 erstrecken. D. h. ein Rad oder eine Scheibe 26 kann in das primäre Fluid 12 eingetaucht sein, während ein anderes Rad oder eine andere Scheibe 30 außerhalb des Gehäuses 42 in das sekundäre Fluid 14 eingetaucht sein kann. Bei dieser Konfiguration können Teile der Formgedächtnislegierung 20 der Wärmekraftmaschine 18 daher von einem Abschnitt des Gehäuses 42, der bezüglich der Fluide 12, 14 abgedichtet ist, abstehen.
Auch wenn dies nicht gezeigt ist, wird auch erwogen, dass das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 von dem Gehäuse 42 dauerhaft aufgenommen und darin getrennt sind. Zum Beispiel können in dieser Anordnung das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 jeweils eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, das von anderen Fluiden erwärmt oder gekühlt werden kann, die während des Betriebs der Energieerzeugungsanlage 10 quer durch das Gehäuse 42 strömen. Bei dieser Anordnung kann das Gehäuse 42 benachbart zu anderen kühlenden und wärmenden Fluiden der Energieerzeugungsanlage 10 angeordnet sein. Daher kann ein vergleichsweise wärmeres Fluid entlang des Gebiets H (1) strömen, während ein vergleichsweise kühleres Fluid entlang des Gebiets C (1) der Energieerzeugungsanlage 10 strömt. Das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 können somit durch Konvektion oder Leiten von anderen kühlenden und/oder wärmenden Fluiden in der Energieerzeugungsanlage 10 erwärmt und/oder gekühlt werden. Das primäre Fluid 12 und das sekundäre Fluid 14 können zum Beispiel durch eine physikalische Barriere in dem Gehäuse 42 getrennt sein. Und die Wärmekraftmaschine 18 kann die Barriere überspannen, so dass Abschnitte der Formgedächtnislegierung 20 selektiv in jedes von primärem Fluid 12 und sekundärem Fluid 14 ragen.
Bei einer in 1 und 3 gezeigten Variante umfasst die Energieerzeugungsanlage 10 auch eine Plattform 46, die in dem sekundären Fluid 14 schwimmend angeordnet und zum Lagern mindestens eines von Wärmekraftmaschine 18, Generator 22 und Kollektor 16 für Schwimmen in Bezug auf das sekundäre Fluid 14 ausgelegt ist. Zum Beispiel kann die Plattform 46 gegenüber und getrennt von dem Kollektor 16 beabstandet sein und in dem sekundären Fluid 14 schwimmen. Unter Bezug auf 1 können in einer Konfiguration die Wärmekraftmaschine 18 und der Generator 22 in dem Gehäuse 42 angeordnet sein, und das Gehäuse 42 kann von der Plattform 46 gelagert sein. Analog kann das Gehäuse 42 auch den Kollektor 16 lagern. Anders gesagt können die Wärmekraftmaschine 18 und der Generator 22 jeweils zwischen der Plattform 46 und dem Kollektor 16 angeordnet, z. B. sandwichtartig eingeschlossen, sein.
Ferner kann die Plattform 46 das sekundäre Fluid 14 vor Solarenergie abschirmen, um dadurch die Temperaturdifferenz ΔT zu verstärken. D. h. die Plattform 46 kann einen Teil des sekundären Fluids 14 vor Sonnenlicht und Solarenergie abschatten und dadurch die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Temperatur T₁ und der zweiten Temperatur T₂ verstärken und/oder aufrechterhalten.
Unter Bezug auf 1 und 3 versteht sich, dass die Plattform 46 ein Rumpf eines Schiffs sein kann. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, kann die Plattform 46 alternativ durch Schwimmvorrichtungen oder Pontons gelagert sein, so dass sie in dem sekundären Fluid 14 schwimmend gelagert ist. Ferner kann die Plattform 46 in dem sekundären Fluid 14 bezogen auf eine (nicht gezeigte) Landmasse fixiert, d. h. verankert, sein oder kann bezogen auf die Landmasse gemäß Gezeiten und/oder Lenkbewegung die Position ändern.
Wie in 1 und 3–6 gezeigt kann die Energieerzeugungsanlage 10 weiterhin einen Einlasskanal 48 umfassen, der von dem sekundären Fluid 14 umgeben ist und zum Befördern des sekundären Fluids 14 zu der Wärmekraftmaschine 18 ausgelegt ist. Der Einlasskanal 48 kann das sekundäre Fluid 14 mittels eines geeigneten Verfahrens zu der Wärmekraftmaschine 18 befördern. Zum Beispiel kann der Einlasskanal 48 eine (nicht gezeigte) Pumpe umfassen. Alternativ kann das sekundäre Fluid 14 mittels Kapillarwirkung und/oder Schwerkraft zu der Wärmekraftmaschine 18 befördert werden. Ferner kann der Einlasskanal 48 Rohrleitungen, Ventile, Druckregler, Sensoren und Kombinationen derselben umfassen, um das sekundäre Fluid 14 zu der Wärmekraftmaschine 18 zu befördern.
Wie ferner in 3 gezeigt ist, kann der Einlasskanal 48 bezogen auf die Plattform 46 ausfahrbar und einfahrbar sein. D. h. der Einlasskanal 48 kann ausfahren, um vergleichsweise tiefere Schichten des sekundären Fluids 14 zu erreichen, und/oder kann einfahren, um vergleichsweise flachere Schichten des sekundären Fluids 14 zu erreichen. Ein solches Ausfahren und Einfahren ermöglicht gemäß der erwünschten Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Temperatur T₁ und der zweiten Temperatur T₂ Zugang zu einer veränderlichen Tiefe des sekundären Fluids 14.
Wie ebenfalls in 3 und 6 gezeigt ist, kann der Einlasskanal 48 von dem sekundären Fluid 14 isoliert sein. Zum Beispiel kann der Einlasskanal 48 in Kunststoff-, Schaum- und/oder Metallisolierung 50 gewickelt sein, um Temperaturänderungen entlang einer Länge des Einlasskanals 48 zu minimieren. Da tieferes Meereswasser vergleichsweise kälter als die Temperatur von zum Beispiel Oberflächenwasser sein kann, stellt die Isolierung 50 sicher, dass das sekundäre Fluid 14 bei der relativ konstanten zweiten Temperatur T₂ zu der Wärmekraftmaschine 18 befördert wird.
Unter Bezug auf 1, 3 und 4 kann der Einlasskanal 48 auch einen Filter 52 an einem proximalen Ende des Einlasskanals 48 umfassen, der zum Schützen der Wärmekraftmaschine 18 vor Verunreinigungen in dem sekundären Fluid 14 ausgelegt ist. Der Filter 52 kann zum Beispiel bei einer Anwendung, die Meereswasser als sekundäres Fluid 14 umfasst, Wasserfauna und -flora und/oder Sediment entfernen.
Unter Bezug auf 1 und 3–6 kann die Energieerzeugungsanlage 10 zusätzlich auch einen oder mehrere Abflüsse 54, 56 umfassen, die zum Entfernen eines oder beider von primärem Fluid 12 und sekundärem Fluid 14 aus einer Wärmetauschbeziehung mit der Wärmekraftmaschine 18 ausgelegt sind. D. h. das primäre Fluid 12 und/oder das sekundäre Fluid 14 können mittels des Ablasses 54, 56 aus dem Gehäuse 42 entfernt werden.
Unter Bezug nun auf 5 kann die Energieerzeugungsanlage 10 in einer Variante einen Isolator 58 umfassen. Der Isolator 58 kann gegenüber und getrennt von dem Kollektor 16 beabstandet sein und ist zum Abschirmen des sekundären Fluids 14 von Solarenergie ausgelegt, um dadurch die Temperaturdifferenz ΔT zu verstärken. D. h. der Isolator 58 kann einen Teil des sekundären Fluids 14 vor Sonnenlicht und Solarenergie abschatten und dadurch die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ersten Temperatur T₁ und der zweiten Temperatur T₂ verstärken. Bei der in 5 gezeigten landgestützten Energieerzeugungsanlage 10 zum Beispiel, die Luft als das sekundäre Fluid 14 umfasst, kann der Isolator 58 mehrere Schenkel oder Stützen 60, 62 umfassen, die zum Anheben des Isolators 58 weg von der Landmasse 44 ausgelegt sind. Daher kann der Isolator 58 ein vergleichsweise kühleres, abgeschattetes sekundäres Fluid 14 erzeugen, das die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem primären Fluid 12 und dem sekundären Fluid 14 weiter verstärken und/oder aufrechterhalten kann.
Wie in 5 gezeigt kann insbesondere mindestens eines von Wärmekraftmaschine 18 und Generator 22 durch den Isolator 58 gelagert sein. Zum Beispiel können die Wärmekraftmaschine 18 und der Generator 22 in dem Gehäuse 42 angeordnet sein, und das Gehäuse 42 kann von dem Isolator 58 gelagert sein. Analog kann das Gehäuse 42 auch den Kollektor 16 lagern. Anders gesagt kann mindestens eines von Wärmekraftmaschine 18 und Generator 22 jeweils zwischen dem Isolator 58 und dem Kollektor 16 angeordnet, z. B. sandwichartig eingeschlossen, sein.
Auch wenn dies nicht gezeigt ist, versteht sich, dass die Energieerzeugungsanlage 10 zusätzliche Erfassungs- und Steuerungskomponenten, z. B. eine elektrische Steuereinheit, umfassen kann. Die elektronische Steuereinheit kann in funktioneller Verbindung mit der Energieerzeugungsanlage 10 stehen und kann zum Regeln der Umwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom EE (2) ausgestaltet sein. Die elektronische Steuereinheit kann z. B. ein Computer sein, der elektronisch mit einer oder mehreren Steuereinrichtungen und/oder Sensoren der Energieerzeugungsanlage 10 kommuniziert. Zum Beispiel kann die elektronische Steuereinheit mit einem oder mehreren von einem Temperatursensor des primären Fluids 12, einem Temperatursensor des sekundären Fluids 14, einem Drehzahlregler des Generators 22, Fluiddurchflusssensoren und Messeinrichtungen, die zum Überwachen der Erzeugung elektrischen Stroms ausgestaltet sind, kommunizieren und/oder diese steuern.
Weiterhin kann die Energieerzeugungsanlage 10 wie in 2 gezeigt auch ein Übertragungsmedium 64 umfassen, das zum Leiten von elektrischem Strom EE von der Energieerzeugungsanlage 10, z. B. von dem Generator 22, ausgestaltet ist. Das Übertragungsmedium 64 kann zum Beispiel eine Stromleitung oder ein elektrisch leitendes Kabel sein. Das Übertragungsmedium 64 kann elektrischen Strom EE von dem Generator 22 zu einer Speichervorrichtung, z. B. einer (nicht gezeigten) Batterie, einem Akkumulator und/oder einem Stromabnehmer, oder zu einem Stromversorgungsnetz eines Elektrizitätsunternehmens leiten. Zum Beispiel kann die Energieerzeugungsanlage 10 elektrischen Strom EE gemäß Bedarfsschwankungen erzeugen, speichern und/oder leiten.
Es versteht sich, dass bei jedem der vorstehend erwähnten Beispiele oder jeder der vorstehend erwähnten Konfigurationen die Energieerzeugungsanlage 10 mehrere Wärmekraftmaschinen 18 und/oder mehrere Generatoren 22 umfassen kann. D. h. eine Energieerzeugungsanlage 10 kann mehr als eine Wärmekraftmaschine 18 und/oder einen Generator 22 umfassen. Zum Beispiel kann eine Wärmekraftmaschine 18 mehr als einen Generator 22 antreiben. Ferner können die Wärmekraftmaschinen 18 und/oder die Generatoren 22 in Reihe oder parallel verbunden sein. D. h. wenn mehrere Wärmekraftmaschinen 18 parallel angeordnet sind (nicht gezeigt), kann jede Wärmekraftmaschine 18 in Kontakt mit einem gemeinsamen primären Fluid 12 angeordnet sein. Wenn umgekehrt mehrere Wärmekraftmaschinen 18 in Reihe angeordnet sind (nicht gezeigt), kann das primäre Fluid 12 einer Wärmekraftmaschine 18 auch das sekundäre Fluid 14 einer anderen Wärmeumwandlungsvorrichtung 18 sein.
Ein Verfahren zum Nutzen einer natürlich auftretenden Temperaturdifferenz ΔT zwischen Luft und/oder Wasser, um die kristallographische Phase der pseudoplastisch vorgedehnten Formgedächtnislegierung 20 zu ändern, um dadurch die Temperaturdifferenz ΔT in mechanische Energie umzuwandeln, umfasst das ausreichende Ausrichten der Formgedächtnislegierung 20 in eine Wärmeübertragungsbeziehung mit Luft und/oder Wasser, die die Temperaturdifferenz ΔT aufweisen. Unter allgemeinem Bezug auf 2 und 6 kann zum Beispiel ein Abschnitt (in 2 allgemein durch Pfeil B angedeutet) der Formgedächtnislegierung 20 in Kontakt mit Wasser, d. h. dem primären Fluid 12, das die erste Temperatur T₁ aufweist, angeordnet sein, und während ein anderer Abschnitt (in 2 allgemein durch Pfeil A angedeutet) der Formgedächtnislegierung 20 in Kontakt mit Luft, d. h. dem sekundären Fluid 14, das die zweite Temperatur T₂ aufweist, angeordnet sein kann. Die Formgedächtnislegierung 20 ist so ausgerichtet, dass sich die Formgedächtnislegierung 20 ausreichend ausdehnt, wenn sie unter Zugspannung steht, und/oder zusammenzieht, wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, wenn die Formgedächtnislegierung 20 wie vorstehend dargelegt die kristallographische Phase wechselt.
Das Verfahren umfasst ferner das Umwandeln der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Luft und/oder Wasser in mechanische Energie. Das heißt, die Formgedächtnislegierung 20 kann die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit wechseln und sich dadurch maßlich zusammenziehen, falls sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Umgekehrt kann die Formgedächtnislegierung 20 die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit ändern und sich unter Zugspannung dadurch im Maß ausdehnen, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
Ferner kann das Verfahren auch das Nutzen der Umwandlung der Temperaturdifferenz ΔT in mechanische Energie umfassen, um elektrischen Strom EE zu erzeugen (2). Zum Beispiel kann mechanische Energie, die aus der Umwandlung thermischer Energie durch die Formgedächtnislegierung 20 resultiert, genutzt werden, um den Generator 22 anzutreiben. Insbesondere kann die Abmessungszusammenziehung und die Abmessungsausdehnung der Formgedächtnislegierung 20 den Generator 22 antreiben, um elektrischen Strom EE (2) zu erzeugen.
Die Energieerzeugungsanlagen 10 samt Verfahren der vorliegenden Erfindung sehen eine ausgezeichnete Umwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom EE vor. D. h. die Energieerzeugungsanlagen 10 gewinnen thermische Energie und erzeugen elektrischen Strom EE. Die Energieerzeugungsanlagen 10 können landgestützt oder seegestützt sein und können natürlich vorkommende thermische Energie, wie etwa thermische Energie zwischen Fluiden auf unterschiedlichen Höhen oder an getrennten Orten, gewinnen. Insbesondere können die Energieerzeugungsanlagen 10 natürlich vorkommende thermische Energie beruhend auf Temperaturdifferenzen ΔT zwischen Wasser unter der Oberfläche und Oberflächenluft, zwischen Oberflächenluft und Luft bei vergleichsweise höheren Landhöhen, zwischen Luft an einer Wasseroberfläche und Luft bei vergleichsweise höheren Landerhebungen und/oder zwischen Luft über einer Landfläche und Wasser unter der Oberfläche umwandeln. Und die Energieerzeugungsanlagen 10 können als Reaktion auf minimale Temperaturdifferenzen ΔT zwischen Fluiden 12, 14 betrieben werden und elektrischen Strom erzeugen.
Obgleich die besten Ausführungsarten der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Energieerzeugungsanlage, die zum Umwandeln von thermischer Energie in elektrischen Strom ausgelegt ist, wobei die Energieerzeugungsanlage umfasst: eine Quelle thermischer Energie, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen einem primären Fluid mit einer ersten Temperatur und einem sekundären Fluid mit einer zweiten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet, vorgesehen wird; einen Kollektor, der zum Verstärken der Temperaturdifferenz zwischen dem primären Fluid und dem sekundären Fluid ausgelegt ist; eine Wärmekraftmaschine, die zum Umwandeln von mindestens einem Teil von thermischer Energie in mechanische Energie ausgelegt ist und eine pseudoplastisch vorgedehnte Formgedächtnislegierung umfasst, die in Wärmetauschbeziehung mit jedem von primärem Fluid und sekundärem Fluid angeordnet ist; und einen Generator, der zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrischen Strom ausgelegt ist und von der Wärmekraftmaschine angetrieben wird.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, wobei die Formgedächtnislegierung die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechselt, wenn sie in Wärmetauschbeziehung mit einem von primärem Fluid und sekundärem Fluid steht.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 2, wobei der Wechsel der kristallographischen Phase der Formgedächtnislegierung den Generator antreibt.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 2, wobei sich die Formgedächtnislegierung, wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei Wechseln der kristallographischen Phase von Martensit nach Austenit maßlich zusammenzieht und sich, wenn sie unter Zugspannung steht, bei Wechseln der kristallographischen Phase von Austenit nach Martensit maßlich ausdehnt.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, wobei die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur kleiner oder gleich etwa 300°C ist.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, welche weiterhin einen gegenüber und getrennt von dem Kollektor beabstandeten Isolator, der zum Abschirmen des sekundären Fluids vor Solarenergie ausgelegt ist, umfasst, um dadurch die Temperaturdifferenz zu verstärken.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 6, wobei mindestens eines von Wärmekraftmaschine und Generator von dem Isolator gelagert ist.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 7, wobei mindestens eines von Wärmekraftmaschine und Generator zwischen dem Isolator und dem Kollektor angeordnet ist.
Verfahren zum Nutzen einer natürlich vorkommenden Temperaturdifferenz zwischen Luft und/oder Wasser, um eine kristallographische Phase einer pseudoplastisch vorgedehnten Formgedächtnislegierung zu ändern, um dadurch die Temperaturdifferenz in mechanische Energie umzuwandeln, wobei das Verfahren umfasst: ausreichendes Ausrichten der Formgedächtnislegierung in eine Wärmeübertragungsbeziehung mit Luft und/oder Wasser, die die Temperaturdifferenz aufweisen, so dass sich die Formgedächtnislegierung ausreichend ausdehnt, wenn sie unter Zugspannung steht, und/oder zusammenzieht, wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, wenn die Formgedächtnislegierung die kristallographische Phase wechselt; und Umwandeln der Temperaturdifferenz zwischen der Luft und/oder dem Wasser in mechanische Energie.
Verfahren nach Anspruch 9, welches weiterhin das Nutzen der Umwandlung der Temperaturdifferenz in mechanische Energie umfasst, um elektrischen Strom zu erzeugen.