DE102012001629A1

DE102012001629A1 - Thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Info

Publication number: DE102012001629A1
Application number: DE201210001629
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RERUM COGNITIO PRODUKTREALISIERUNGS GmbH
Current assignee: RERUM COGNITIO PRODUKTREALISIERUNGS GmbH
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2013-07-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, in welches hauptsächlich Niedertemperatur Wärme genutzt wird, um über ein hydraulisches System und einer speziellen Pulsierung Strom mit dem piezoelektrischen Generatoreffekt aus den Druckschwankungen zu wandeln. Eine derartige technische Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft, in der Gebäudetechnik und im chemischen Anlagenbau benötigt. Wandlerprozesse in der Energiewirtschaft, die Wärme aus diversen Energiequellen zur Stromerzeugung nutzen, arbeiten zuverlässig und sind Stand der Technik. Je niedriger jedoch die Prozesstemperaturen und je kleiner die Leistungseinheiten werden, umso schwieriger wird es, effizient Wärme auch unter 100°C noch zu verstromen, da die Prozesskomponenten an physikalische Grenzen stoßen. Aufgabe der Erfindung ist es, genau diese Probleme zu lösen, indem ein thermisches System zyklisch Volumenänderungsarbeit und Druckerhöhung auf ein hydraulisches System übertragen, dessen Fluidstrom ständig mit hoher Frequenz durch ein Piezoaktor-Zweiwegeventil zwischen Hoch- und Tiefdruck pendelt, wodurch Druckschwankungen entstehen, die in den Piezo-Stapelaktoren Spannung induzieren. Nach entsprechender Konvertierung steht Strom ohne Turbomaschinen und Generatoren mit den erforderlichen Parametern zur Verfügung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, in welches hauptsächlich Niedertemperatur Wärme genutzt wird, um über ein hydraulisches System und einer speziellen Pulsierung Strom mit dem piezoelektrischen Generatoreffekt aus den Druckschwankungen zu erzeugen. Eine derartige technische Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft, in der Gebäudetechnik und im chemischen Anlagenbau benötigt. Wandlerprozesse in der Energiewirtschaft, die Wärme aus diversen Energiequellen zur Stromerzeugung nutzen, arbeiten zuverlässig und sind Stand der Technik. Je niedriger jedoch die Prozesstemperaturen und je kleiner die Leistungseinheiten werden, umso schwieriger wird es, effizient Wärme auch unter 100°C noch zu verstromen, da die Prozesskomponenten an physikalische Grenzen stoßen. Bisherige Wärmekraftwerke erfordern komplexe Anlagensysteme mit aufwendigen Turbomaschinen, Motoren und Generatoren.
Es gibt einige Arbeitsfluids, die auch bei niedrigen Temperaturen noch Volumenänderungsarbeit bei nutzbaren Druckdifferenzen verrichten können. Kombiniert man diese Eigenschaften in einem thermo-hydraulischen System mit dem piezo-elektrischen Generatoreffekt, entstehen Wandleroptionen, die den mechanischen Aufwand stark reduzieren.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, mittels Abwärme in einem thermisch hydraulischen Verfahren Druckstöße zu erzeugen, die auf Piezo-Stapelaktoren wirken und darin Spannung induzieren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst. Ein thermisches System überträgt zyklisch Volumenänderungsarbeit und Druckerhöhung auf ein hydraulisches System, in dem ein geeignetes Arbeitsfluid durch gesteuerte Wärmezufuhr und Abkühlung den Innendruck erhöht bzw. senkt und damit eine Hubbewegung bewirkt, die den hydraulischen Fluidstrom pumpt. Ein Piezoaktor-Zweiwegeventil pendelt ständig mit hoher Frequenz zwischen Hoch- und Tiefdruck hin und her, wodurch Druckschwankungen entstehen, die in Piezo-Stapelaktoren Spannung induzieren. Nach entsprechender Konvertierung steht Strom ohne Turbomaschinen und Generatoren mit den erforderlichen Parameter zur Verfügung. Das Piezoaktor-Zweiwegeventil arbeitet wie ein Transistor, der mit einem niedrigen Leistungsinput und einer steuerbaren Schaltfrequenz im Kiloherzbereich einen gepulsten hydraulischen Fluidstrom schaltet. Diese Maßnahme ist notwendig, da so die Leistungsdichte pro Piezo-Stapelaktor erhöht wird, was sich positiv auf die Baugröße auswirkt und den Kostenaufwand senkt. Je nach Abgabeleistung werden mehrere Pumpzellen zu einem Modul in einem Zirkulationssystem zusammengeschlossen, welches die Wärme Zu- und Abfuhr übernimmt und in Abhängigkeit der Kolbenposition auf Kühlen, Regenerieren oder Wärmen schaltet. Menge und Art des Arbeitsfluids bestimmt das Abwärme-Temperaturniveau. Mit der Anzahl der Module lässt sich die Leistung bei immer gleichen Pumpzellen an verschiedene Größen anpassen, sodass eine breites Anwendungsspektrum entsteht.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren
Bezugszeichenliste

1: Thermisches System
2: Hydraulisches System
3: Piezoelektrisches System
4: Pumpzellen
5: Piezoaktor-Zweiwegeventil
6: Piezo-Stapelaktoren
7: Stromkonvertierung
8: Arbeitsfluid
9: Wärmezufuhr
10: Wärmeabfuhr
11: Kolben
12: Hydraulikfluid
13: Hochdruckleitung
14: Niederdruckleitung
15: Gepulste Fluidleitung
16: Schlagkolben
17: Regeleinheit
18: Piezo-Element
19: Strom

Claims

Thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus einem thermischen System (1), einem hydraulischen System (2) und einem piezoelektrischen System (3), die die Hauptkomponenten Pumpzellen (4), Piezoaktor-Zweiwegeventil (5), Piezo-Stapelaktoren (6) und Stromkonvertierung (7) beinhalten, dadurch gekennzeichnet, dass im thermischen System (1) Pumpzellen (4) mit einem Arbeitsfluid (8) gefüllt sind, welches sich bei Wärmezufuhr (9) ausdehnt und bei Wärmeabfuhr (10) zusammen zieht, dabei die Kolben (11) in Hubbewegung versetzt und das Hydraulikfluid (12) in das hydraulische System (2) pumpt.
Thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische System (2) aus einer Hochdruckleitung (13) mit der Fließrichtung Piezo-Stapelaktoren (6) und einer Niederdruckleitung (14) in entgegengesetzter Fließrichtung, einem Piezoaktor-Zweiwegeventil (5) und einer gepulsten Fluidleitung (15) mit der Verbindung zu den Schlagkolben (16) der Piezo-Stapelaktoren (6) besteht.
Thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoaktor-Zweiwegeventil (5) von einer Regeleinheit (17) gesteuert wird, welches mit hoher Frequenz zwischen Hochdruckleitung (13) und Niederdruckleitung (14) schaltet, dadurch Druckstöße erzeugt, die durch die gepulste Fluidleitung (15) zu den Schlagkolben (16) der Piezo-Stapelaktoren (6) gelangen.
Thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstöße durch den Schlagkolben (16) die Gitterstruktur der einzelnen Piezo-Elemente (18) verschieben, wodurch Spannung induziert wird, die die Stromkonvertierung (7) in gängige Parameter wandelt und den Strom (19) aus dem Prozess auskoppelt.
Thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, das mehrere Pumpzellen (4) thermisch zu Modulen von einem Zirkulationssystem zusammen geschlossen werden, welches die Wärme Zu- und Abfuhr übernimmt und in Abhängigkeit der Kolben(11)-Position auf Kühlen, Regenerieren oder Wärmen schaltet.
Thermo-hydraulisches-piezoelektrisches Verfahren für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, das die Anlagenleistung durch Parallelschaltung von Modulen bei immer gleichgroßen Pumpzellen (4) anpassungsfähig ist.