DE102014010885B4 - Method and device for converting thermal energy into electrical energy - Google Patents

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    • H10N15/00Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point

Abstract

Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie in einem Stromkreis (20) mit Spannungsquelle (6, 28) und Verbrauchseinrichtung (7),aufweisend folgende Schritte- Beschichten mindestens eines isolierenden dielektrischen Materials (3) mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur mit metallischen Elektroden (4, 5) zur Ausbildung mindestens eines Metall-Isolator-Metall-Stapels (43), wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel (43) zu dem Stromkreis (20) mit Spannungsquelle (6, 28) und Verbrauchseinrichtung (7) gehört,- Anlegen/Schalten einer Spannung UPE aus der Spannungsquelle (6, 28) zur Erniedrigung der Kristallsymmetrie durch Ausbildung eines Defektkonzentrationsgradienten im isolierenden dielektrischen Material (3), wobei das isolierende dielektrische Material (3) zu einem schaltbaren pyroelektrischen Material wird, und damit- Erzeugen von pyroelektrischen Phasen im isolierenden dielektrischen Material (3), die eine Polarisation im Material (3) erzeugen,- Ankoppeln von Wärmeströmen hoher Temperatur Tund Wärmeströmen niedriger Temperatur Tals eingebrachte thermische Energie im vorgegeben Wechsel mittels eines Wärmeübertragers (8) an die erzeugten pyroelektrischen Phasen, wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel (43), die Spannungsquelle (6, 28), die Verbrauchseinrichtung (7) und der thermisch ankoppelbare Wärmeübertrager (8) einen schaltbaren pyroelektrischen Wandler (2) bilden, und- Abgreifen eines elektrischen Stromes als elektrische Energie aus dem Stromkreis (20) nach dem wechselseitigen thermischen Ankoppeln der Wärmeströme als Folge einer Polarisationsänderung der vorher erzeugten pyroelektrischen Phasen, dadurch gekennzeichnet,dass als pyroelektrisches Material ein mit Defekten versehenes, isolierendes dielektrisches Material (3) mit einer zentrosymmetrischen Kristallsymmetrie und einer Defektkonzentration eingesetzt wird, an dem durch Spannungszuschaltung eine Pyroelektrizität aufgebaut wird und die über einen konventionellen Olsen-Zyklus für pyroelektrisches Material hinaus spannungsschaltbar ausgebildet wird,wobei zum Schalten der Spannungen der konventionelle Olsen-Zyklus genutzt wird, wobei der konventionelle Olsen-Zyklus folgende Schritte aufweist:• In einem ersten Schritt (A-B) wird ein elektrodenkontaktiertes pyroelektrisches Material des pyroelektrischen Wandlers (2) bei einer vorgegebenen hohen Spannung Umittels eines Wärmeübertragers und eines den Wärmeübertrager durchströmenden hochtemperierten Fluids (10) solange aufgeheizt, bis die Polarisationskurve einer hohen Temperatur Terreicht ist,• in einem zweiten Schritt (B-C) erfolgt eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über eine an das elektrodenkontaktierende pyroelektrische Material angelegte Spannungsquelle solange, bis eine vorgegebene niedrige Spannung Uerreicht ist,• in einem dritten Schritt (C-D) erfolgt mittels eines den Wärmeübertrager durchströmenden niedrigtemperierten Fluids (11) ein Abkühlungsschritt im Bereich der vorgegebenen niedrigen Spannung Usolange, bis die Polarisationskurve einer niedrigeren Temperatur Terreicht ist, und• in einem den Kreisprozess schließenden Schritt (D-A) erfolgt eine isotherme Aufladung der Oberflächenladung OPE bis zur ursprünglich vorgegebenen hohen Spannung U, wobei die Fläche (A-B-C-D-A) die verrichtete Arbeit und damit die elektrische Energie bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie darstellt,wobei in Weiterentwicklung des konventionellen Olsen-Zyklus zumindest folgende modifizierte Schritte durchgeführt werden:• der ursprüngliche zweite Schritt (B-C) wird durch eine Steuer-/Regeleinrichtung (12) derart zu einem spannungsdifferenzvergrößerten Schritt (B-F) modifiziert, wobei von der hohen Spannung Uaus die vorgegebene niedrige Spannung Uunterschreitend bis auf eine Mindestspannung Uverringert geschaltet wird, wobei während des modifizierten zweiten Schrittes (B-F) schrittparallel eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über die angelegte Spannungsquelle (6, 28) solange durchgeführt wird, bis die Mindestspannung Uim Punkt (F) erreicht wird,• der ursprüngliche dritte Schritt (C-D) wird derart zu einem Schritt (F-D) modifiziert, dass mittels des den Wärmeübertrager (8) durchströmenden niedrigtemperierten Fluids (11) während des modifizierten dritten Schrittes (F-D) ein Abkühlungsschritt aus dem Bereich der Mindestspannung Uvom Punkt (F) aus solange erfolgt, bis die Polarisationskurve der ursprünglichen niedrigen Temperatur Tim Punkt (D) mit der Oberflächenladung OPE erreicht ist, wodurch mittels der Spannungsänderung von Unach Ubei erreichter Fläche (A-B-F-D-A) eine um die Fläche (B-F-D-C-B) erhöhte Arbeit und damit erhöhte elektrische Energie durch das schaltbare pyroelektrische Material (3) im schaltbaren pyroelektrischen Wandler (2) verrichtet wird.Method for converting thermal energy into electrical energy in a circuit (20) having a voltage source (6, 28) and consuming device (7), comprising the following steps: coating at least one insulating dielectric material (3) having a crystalline and a defect concentration structure metallic electrodes (4, 5) for forming at least one metal-insulator-metal stack (43), the metal-insulator-metal stack (43) being connected to the circuit (20) with voltage source (6, 28) and consumer device ( 7), applying / switching a voltage UPE from the voltage source (6, 28) to lower the crystal symmetry by forming a defect concentration gradient in the insulating dielectric material (3), the insulating dielectric material (3) becoming a switchable pyroelectric material, and thus producing pyroelectric phases in the insulating dielectric material (3) having a polarization in the mate 3), coupling high temperature heat fluxes T and low temperature heat fluxes T as introduced thermal energy in a predetermined change by means of a heat exchanger (8) to the generated pyroelectric phases, wherein the metal-insulator-metal stack (43), the voltage source (6, 28), the consumption device (7) and the thermally coupled heat exchanger (8) form a switchable pyroelectric converter (2), and tapping an electric current as electrical energy from the circuit (20) after the mutual thermal coupling of the heat flows as a result of a polarization change of the previously generated pyroelectric phases, characterized in that a pyroelectric material is provided with a defect insulating dielectric material (3) having a centrosymmetric crystal symmetry and a defect concentration at which pyroelectricity is built up by the voltage connection and the is formed voltage switchable beyond a conventional Olsen cycle for pyroelectric material, wherein the conventional Olsen cycle is used for switching the voltages, wherein the conventional Olsen cycle comprises the following steps: In a first step (AB) is an electrode-contacted pyroelectric material of the pyroelectric transducer (2) at a predetermined high voltage by means of a heat exchanger and a high-temperature fluid (10) flowing through the heat exchanger until the polarization curve of a high temperature is reached, • in a second step (BC) an isothermal discharge of the surface charge takes place OPE via a voltage applied to the electrode-contacting pyroelectric material voltage source until a predetermined low voltage U is reached, • in a third step (CD) by means of a heat exchanger flowing through low-temperature fluid (11) a cooling step in the range of the predetermined low voltage Usolange until the polarization curve of a lower temperature is reached, and in a step (DA) closing the cycle, an isothermal charging of the surface charge OPE takes place up to the originally predetermined high voltage U, the area (ABCDA ) is the work done and thus the electrical energy in the conversion of thermal energy into electrical energy, wherein in further development of the conventional Olsen cycle at least the following modified steps are performed: • the original second step (BC) is controlled by a controller (12) so modified to a voltage difference-enlarged step (BF), being switched from the high voltage U out the predetermined low voltage Uunterschreitend down to a minimum voltage U, wherein during the modified second step (BF) stepwise parallel is otherme discharging the surface charge OPE via the applied voltage source (6, 28) until the minimum voltage Uim point (F) is reached, the original third step (CD) is modified to a step (FD) such that by means of the during the modified third step (FD), a cooling step is performed from the range of the minimum voltage U from the point (F) until the polarization curve of the original low temperature Tim point (D) with the surface charge OPE is achieved, whereby by means of the voltage change of Unach Ubei surface reached (ABFDA) by the area (BFDCB) increased work and thus increased electrical energy through the switchable pyroelectric material (3) in the switchable pyroelectric transducer (2) is performed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie.The invention relates to a method and a device for converting thermal energy into electrical energy.

Pyroelektrische Materialien reagieren auf Temperaturänderungen mit der Bereitstellung elektrischer Ladungen auf ihrer Oberfläche und dadurch mit der Ausbildung starker elektrischer Felder bei Spannungen bis in den Megavolt-Bereich. Damit sind sie für Anwendungen prädestiniert, die eine Umwandlung thermischer Energie in andere Energieformen fordern.Pyroelectric materials respond to temperature changes by providing electrical charges on their surface and thereby with the formation of strong electric fields at voltages up to the megavolt range. Thus, they are predestined for applications that require a conversion of thermal energy into other forms of energy.

In der Druckschrift US 4 620 262 A ist ein pyroelektrisches Energiewandler-Element angegeben, in der eine Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie beschrieben ist. Darin ist ein Folienstapel zur Verwendung in einem pyroelektrischen Energiewandler angegeben, wobei die Folien aus einem Kopolymer aus Vinylidenfluorid und Trifluoräthylen in einem vorgegebenen Verhältnis stehen, wobei die Oberflächen der Folien im Wesentlichen auf beiden Seiten mit dünnen metallischen Elektroden bedeckt sind, wobei die Folien um einen zentralen zylindrischen Kern spiralförmig um den Stapel in zylindrischer Form gewickelt sind.
Die Wandler-Elemente sind für die Nutzung von Abwärmeströmen geeignet. Anwendungen liegen im Bereich der Nutzung von Niedertemperaturabwärme in fossilen und regenerativen Kraftwerken. Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen in Bereichen der Materialsynthese, bei denen Abwärme als ungenutzte Energieform vorliegt, z.B. in der Metall-, Chemie- und Lebensmittelindustrie.
In the publication US Pat. No. 4,620,262 A a pyroelectric energy converter element is described in which a conversion of thermal energy into electrical energy is described. It discloses a film stack for use in a pyroelectric energy converter, wherein the films of a copolymer of vinylidene fluoride and trifluoroethylene are in a predetermined ratio, wherein the surfaces of the films are covered on both sides with thin metallic electrodes, wherein the films around a central cylindrical core are spirally wound around the stack in a cylindrical shape.
The transducer elements are suitable for the use of waste heat streams. Applications include the use of low-temperature waste heat in fossil and regenerative power plants. Further applications are in areas of material synthesis in which waste heat is present as an unused form of energy, for example in the metal, chemical and food industries.

Pyroelektrische Materialien werden bereits im Bereich der Sensorik als thermische Detektoren kommerziell eingesetzt.
In der Druckschrift WO 2009/ 083 181 A1 sind eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit einer pyroelektrischen Detektoranordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung der Vorrichtung beschrieben.

Die thermischen Detektoren können beispielsweise als Bewegungsmelder ausgebildet sein. Hierbei lassen sie sich für das Abzählen von Menschen bei Eintritt und Austritt aus Gebäuden verwenden.
Weitere Anwendungen betreffen nichtdispersive Infrarotsensoren zur Detektion von Gas oder Feuer. Eingesetzt werden diese z.B. im medizinischen Bereich, in der Industrie, in der Automobiltechnik, bei der Öl- und Gasförderung sowie in der Luft- und Raumfahrt.
Pyroelectric materials are already being used commercially in the field of sensor technology as thermal detectors.
In the publication WO 2009/083 181 A1 For example, a device for detecting thermal radiation with a pyroelectric detector arrangement and a method for producing and using the device are described.

The thermal detectors may be designed, for example, as motion detectors. They can be used to count people entering and leaving buildings.
Further applications relate to non-dispersive infrared sensors for the detection of gas or fire. These are used, for example, in the medical sector, in industry, in automotive engineering, in oil and gas production and in aerospace.

Die Nachteile der angegebenen Verfahren und Vorrichtungen bestehen darin, dass der Wirkungsgrad der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie auf der Basis des so genannten Olsen-Zyklus durch die Prozesstemperaturspreizung, beschrieben in der Druckschrift MOHAMMADI, Saber; KHODAYARI, Akram: Pyroelectric Energy Harvesting with Thermodynamic-Based Cycles. In: Smart Materials Research, Vol. 2012, Article ID 160956, S.1-5 , durch die untere Spannung, die an dem pyroelektrischen Material angelegt wird, beschrieben in der Druckschrift OLSEN, Randall B. ; BRUNO, David A. ; BRISCOE, J. Merv: Pyroelectric conversion cycles. In: Journal of Applied Physics, Vol. 58, 1985, No. 12, S. 4709-4716 , sowie durch die nicht reduzierbare Wärmekapazität und nicht zuletzt durch die spontane Polarisation und ihre Temperaturabhängigkeit (pyroelektrischer Koeffizient) limitiert ist.The disadvantages of the stated methods and devices are that the efficiency of the conversion of thermal energy into electrical energy on the basis of the so-called Olsen cycle by the process temperature spread described in the Publication MOHAMMADI, Saber; KHODAYARI, Akram: Pyroelectric Energy Harvesting with Thermodynamic-Based Cycles. In: Smart Materials Research, Vol. 2012, Article ID 160956, p.1-5 , by the lower voltage applied to the pyroelectric material described in the document OLSEN, Randall B.; BRUNO, David A.; BRISCOE, J. Merv: Pyroelectric conversion cycles. In: Journal of Applied Physics, Vol. 58, 1985, no. 12, pp. 4709-4716 , as well as by the irreducible heat capacity and not least by the spontaneous polarization and its temperature dependence (pyroelectric coefficient) is limited.

Der in der Druckschrift OLSEN, Randall B. ; BRUNO, David A. ; BRISCOE, J. Merv: Pyroelectric conversion cycles. In: Journal of Applied Physics, Vol. 58, 1985, No. 12, S. 4709-4716 beschriebene und in der 3a gezeigte konventionelle Olsen-Zyklus 25 wird in vier Schritten nachfolgend beschrieben:

  • • In einem ersten Schritt (A-B) wird ein elektrodenkontaktiertes pyroelektrisches Material des pyroelektrischen Wandlers bei einer vorgegebenen hohen Spannung UH mittels eines Wärmeübertragers und eines den Wärmeübertrager durchströmenden hochtemperierten Fluids solange aufgeheizt, bis die Polarisationskurve einer hohen Temperatur TH erreicht ist,
  • • in einem zweiten Schritt (B-C) erfolgt eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über eine an das elektrodenkontaktierende pyroelektrische Material angelegte Spannungsquelle solange, bis eine vorgegebene niedrige Spannung UL erreicht ist,
  • • in einem dritten Schritt (C-D) erfolgt mittels eines den Wärmeübertrager durchströmenden hochtemperierten Fluids ein Abkühlungsschritt im Bereich der vorgegebenen niedrigen Spannung UL solange, bis die Polarisationskurve einer niedrigeren Temperatur TL erreicht ist, und
  • • in einem den Kreisprozess schließenden Schritt (D-A) erfolgt eine isotherme Aufladung der Oberflächenladung OPE bis zur ursprünglich vorgegebenen hohen Spannung UH ,
wobei die Fläche (A-B-C-D-A) 44 in 3a die verrichtete Arbeit und damit die erzeugte elektrische Energie bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie darstellt.The in the publication OLSEN, Randall B.; BRUNO, David A.; BRISCOE, J. Merv: Pyroelectric conversion cycles. In: Journal of Applied Physics, Vol. 58, 1985, no. 12, pp. 4709-4716 described and in the 3a shown conventional Olsen cycle 25 is described in four steps below:
  • In a first step (AB), an electrode-contacted pyroelectric material of the pyroelectric transducer is at a predetermined high voltage U H by means of a heat exchanger and a high-temperature fluid flowing through the heat exchanger until the polarization curve of a high temperature T H is reached,
  • In a second step (BC) an isothermal discharge of the surface charge OPE takes place via a voltage source applied to the electrode-contacting pyroelectric material until a predetermined low voltage is reached U L is reached,
  • In a third step (CD), a cooling step takes place in the range of the predetermined low voltage by means of a high-temperature fluid flowing through the heat exchanger U L until the polarization curve of a lower temperature T L is reached, and
  • • In a step (DA) closing the cycle process, an isothermal charging of the surface charge OPE takes place up to the originally specified high voltage U H .
where the area (ABCDA) 44 in 3a represents the work done and thus the electrical energy generated in the conversion of thermal energy into electrical energy.

In derzeit eingesetzten thermischen Detektorsystemen auf der Basis pyroelektrischer Materialien wird durch eine einfallende infrarote Strahlung in einem pyroelektrischen Kristall eine Polarisationsänderung induziert, wodurch an den Oberflächen des Kristalls mittels Elektroden eine Spannung erfasst werden kann. Zur Erfassung des Signals ist eine nachgeschaltete Verstärkerelektronik erforderlich. Eine solche Verstärkerelektronik verstärkt Prinzip bedingt auch den Signaluntergrund, was insbesondere bei schwachen Signalen zu einem zunehmend schlechteren Signal in Bezug auf das Signaluntergrundverhältnis führt.In presently used thermal detection systems based on pyroelectric materials, a polarization change is induced by an incident infrared radiation in a pyroelectric crystal, whereby a voltage is applied to the surfaces of the crystal by means of electrodes can be detected. To acquire the signal, downstream amplifier electronics are required. As a matter of principle, such amplifier electronics also amplify the signal background, which leads to an increasingly poorer signal in relation to the signal background ratio, especially in the case of weak signals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass der Wirkungsgrad der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie erhöht wird. Außerdem soll die verrichtete Arbeit auf der Basis des konventionellen Olsen-Zyklus erhöht und das Verhältnis Signal zu Signaluntergrund verbessert werden.The invention has for its object to provide a method and apparatus for converting thermal energy into electrical energy, which are designed so that the efficiency of the conversion of thermal energy into electrical energy is increased. In addition, the work done is to be increased on the basis of the conventional Olsen cycle and the signal to signal background ratio improved.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 gelöst.
Das Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie in einem Stromkreis mit Spannungsquelle und Verbrauchseinrichtung, weist gemäß Patentanspruch 1 folgende Schritte auf:

  • - Beschichten mindestens eines isolierenden dielektrischen Materials mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur mit metallischen Elektroden zur Ausbildung mindestens eines Metall-Isolator-Metall-Stapels, wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel zu dem Stromkreis mit Spannungsquelle und Verbrauchseinrichtung gehört,
  • - Anlegen/Schalten einer Spannung UPE aus der Spannungsquelle zur Erniedrigung der Kristallsymmetrie durch Ausbildung eines Defektkonzentrationsgradienten im isolierenden dielektrischen Material, wobei das isolierende dielektrische Material zu einem schaltbaren pyroelektrischen Material wird, und damit
  • - Erzeugen von pyroelektrischen Phasen im isolierenden dielektrischen Material, die eine Polarisation im Material aufweisen,
  • - Ankoppeln von Wärmeströmen hoher Temperatur TH und Wärmeströmen niedriger Temperatur TL als eingebrachte thermische Energie im vorgegeben Wechsel mittels eines Wärmeübertragers an die erzeugten pyroelektrischen Phasen, wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel, die Spannungsquelle, der Verbrauchseinrichtung und der thermisch ankoppelbare Wärmeübertrager einen schaltbaren pyroelektrischen Wandler bilden, und
  • - Abgreifen eines elektrischen Stromes als elektrische Energie aus dem Stromkreis nach dem wechselseitigen thermischen Ankoppeln der Wärmeströme als Folge einer Polarisationsänderung der vorher erzeugten pyroelektrischen Phasen.
The object of the invention is solved by the features of claims 1 and 9.
The method for converting thermal energy into electrical energy in a circuit with voltage source and consumer device, according to claim 1, the following steps:
  • Coating at least one insulating dielectric material having a crystalline and a defect concentration structure with metallic electrodes to form at least one metal-insulator-metal stack, the metal-insulator-metal stack belonging to the circuit comprising the voltage source and the consumable device,
  • Applying a voltage UPE from the voltage source to lower the crystal symmetry by forming a defect concentration gradient in the insulating dielectric material, wherein the insulating dielectric material becomes a switchable pyroelectric material, and thus
  • Generating pyroelectric phases in the insulating dielectric material having a polarization in the material,
  • - Coupling of high temperature heat flows T H and low temperature heat flows T L as introduced thermal energy in the predetermined change by means of a heat exchanger to the generated pyroelectric phases, wherein the metal-insulator-metal stack, the voltage source, the consumption device and the thermally coupled heat exchanger form a switchable pyroelectric converter, and
  • - Picking up an electric current as electrical energy from the circuit after the mutual thermal coupling of the heat flows as a result of a polarization change of the previously generated pyroelectric phases.

Im isolierenden diektrischen Material kann bezogen auf Raumtemperatur 20°C und normalem Druck die vorhandene intrinsische Defektkonzentration mittels einer Behandlung bei höherer Temperatur und/oder bei vermindertem Druck oder mittels Ionenbeschuss erhöht werden.The intrinsic defect concentration present in the insulating dielectric material can be increased relative to room temperature 20 ° C. and normal pressure by means of a treatment at higher temperature and / or under reduced pressure or by ion bombardment.

Dabei wird als pyroelektrisches Material ein mit Defekten versehenes, isolierendes dielektrisches Material mit einer vorzugsweise zentrosymmetrischen Kristallsymmetrie eingesetzt, an dem durch Spannungszuschaltung eine Pyroelektrizität aufgebaut wird und die über einen konventionellen Olsen-Zyklus für pyroelektrisches Material hinaus spannungsschaltbar ausgebildet wird.In this case, a pyroelectric material provided with a defect, insulating dielectric material having a preferably centrosymmetric crystal symmetry is used, on which by connecting a pyroelectricity is built up and which is formed over a conventional Olsen cycle for pyroelectric material out voltage switchable.

Zum Schalten der Spannungen wird ein konventioneller Olsen-Zyklus genutzt, wobei der konventionelle Olsen-Zyklus folgende Schritte aufweist:

  • • In einem ersten Schritt (A-B) wird ein elektrodenkontaktiertes pyroelektrisches Material des pyroelektrischen Wandlers bei einer vorgegebenen hohen Spannung UH mittels eines Wärmeübertragers und eines den Wärmeübertrager durchströmenden hochtemperierten Fluids solange aufgeheizt, bis die Polarisationskurve einer hohen Temperatur TH erreicht ist,
  • • in einem zweiten Schritt (B-C) erfolgt eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über eine an das elektrodenkontaktierende pyroelektrische Material angelegte Spannungsquelle solange, bis eine vorgegebene niedrige Spannung UL erreicht ist,
  • • in einem dritten Schritt (C-D) erfolgt mittels eines den Wärmeübertrager durchströmenden niedrigtemperierten Fluids ein Abkühlungsschritt im Bereich der vorgegebenen niedrigen Spannung UL solange, bis die Polarisationskurve einer niedrigeren Temperatur TL erreicht ist, und
  • • in einem den Kreisprozess schließenden Schritt (D-A) erfolgt eine isotherme Aufladung der Oberflächenladung OPE bis zur ursprünglich vorgegebenen hohen Spannung UH ,
wobei die Fläche (A-B-C-D-A) die verrichtete Arbeit und damit die elektrische Energie bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie darstellt,
wobei in Weiterentwicklung des Olsen-Zyklus zumindest folgende modifizierte Schritte durchgeführt werden:
  • • der ursprüngliche zweite Schritt (B-C) wird durch eine Steuer-/Regeleinrichtung derart zu einem spannungsdifferenzvergrößerten Schritt (B-F) modifiziert, wobei die hohe Spannung UH die vorgegebene niedrige Spannung UL unterschreitend bis auf eine Mindestspannung UL* verringert geschaltet wird, wobei während des modifizierten zweiten Schrittes (B-F) schrittparallel eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über die angelegte Spannungsquelle solange durchgeführt wird, bis die Mindestspannung UL* im Punkt (F) erreicht wird,
  • • der ursprüngliche dritte Schritt (C-D) wird derart zu einem Schritt (F-D) modifiziert, wobei mittels des den Wärmeübertrager durchströmenden niedrigtemperierten Fluids während des modifizierten dritten Schrittes (F-D) ein Abkühlungsschritt aus dem Bereich der Mindestspannung UL* vom Punkt (F) aus solange erfolgt, bis die Polarisationskurve der ursprünglichen niedrigen Temperatur TL im Punkt (D) der Oberflächenladung OPE erreicht ist,
wodurch mittels der Spannungsänderung von UH nach UL* bei erreichter Fläche (A-B-F-D-A) eine um die Fläche (B-F-D-C-B) erhöhte Arbeit und damit erhöhte elektrische Energie durch das schaltbare pyroelektrische Material im schaltbaren pyroelektrischen Wandler verrichtet wird.For switching the voltages, a conventional Olsen cycle is used, the conventional Olsen cycle comprising the following steps:
  • In a first step (AB), an electrode-contacted pyroelectric material of the pyroelectric transducer is at a predetermined high voltage U H by means of a heat exchanger and a high-temperature fluid flowing through the heat exchanger until the polarization curve of a high temperature T H is reached,
  • In a second step (BC) an isothermal discharge of the surface charge OPE takes place via a voltage source applied to the electrode-contacting pyroelectric material until a predetermined low voltage is reached U L is reached,
  • In a third step (CD), a cooling step takes place in the range of the predetermined low voltage by means of a low-temperature fluid flowing through the heat exchanger U L until the polarization curve of a lower temperature T L is reached, and
  • • In a step (DA) closing the cycle process, an isothermal charging of the surface charge OPE takes place up to the originally specified high voltage U H .
wherein the area (ABCDA) represents the work done and thus the electrical energy in the conversion of thermal energy into electrical energy,
wherein in further development of the Olsen cycle at least the following modified steps are carried out:
  • The original second step (BC) is modified by a controller in such a way to a voltage difference enlarged step (BF), wherein the high voltage U H the predetermined low voltage U L below a minimum voltage U L * is switched off, while during the modified second step (BF) is carried out step-by-step an isothermal discharge of the surface charge OPE via the applied voltage source until the minimum voltage U L * reached in point (F),
  • The original third step (CD) is modified in such a way to a step (FD), wherein by means of the low-temperature fluid flowing through the heat exchanger during the modified third step (FD), a cooling step from the range of the minimum voltage U L * from the point (F) until the polarization curve of the original low temperature T L reached in point (D) of the surface charge OPE,
whereby by means of the voltage change of U H after U L * when the area reached (ABFDA) is increased by the surface (BFDCB) work and thus increased electrical energy is performed by the switchable pyroelectric material in the switchable pyroelectric converter.

Die vorgegebene hohe Spannung UH kann als maximale Spannung und die vorgegebene niedrige Spannung UL kann als minimale Spannung ausgebildet werden.The specified high voltage U H can be as maximum voltage and the given low voltage U L can be designed as minimum voltage.

Infolge der vorhandenen schaltbaren Pyroelektrizitätsspannung UPE kann die angelegte niedrige Spannung UL auf eine Mindestspannung UL* reduziert werden.Due to the existing switchable pyroelectricity voltage UPE, the applied low voltage U L to a minimum voltage U L * be reduced.

Mittels einer Regelung der an das isolierende dielektrische Material angelegten Spannung kann aus der Spannungsquelle lokal eine stufenlose Einstellung der Polarisation resultierend aus der Kristallsymmetrie-Erniedrigung in Bezug auf die geladenen intrinsischen Defekte oder eingebrachten Defekte erfolgen und durch die Schaltung der Spannung eine Umverteilung geladener intrinsischer Defekte oder eingebrachter Defekte erfolgen und dabei die Kristallsymmetrie erniedrigt werden, wodurch in dem isolierenden dielektrischen Material spannungsbezogene pyroelektrische Phasen entstehen, die eine Polarisation am isolierenden dielektrischen Material ausbilden und zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie genutzt werden.By means of a regulation of the voltage applied to the insulating dielectric material, the voltage source can locally adjust the polarization as a result of the crystal symmetry reduction with respect to the charged intrinsic defects or introduced defects, and redistribute charged intrinsic defects through the switching of the voltage introduced defects and thereby the crystal symmetry are lowered, whereby in the insulating dielectric material voltage-related pyroelectric phases are formed, which form a polarization of the insulating dielectric material and are used for the conversion of thermal energy into electrical energy.

Der Wärmestrom des Fluids mit hoher Temperatur TH kann abwechselnd mit dem Wärmestrom des Fluids niedriger Temperatur TL mittels eines Wärmeübertragers und einer zugeordneten Ventilanordnung thermisch angekoppelt werden, wobei ein jeweilig temperierter Ausflussstrom der Ventilanordnung den Wärmeübertrager durchfließt.The heat flow of the fluid at high temperature T H can alternate with the heat flow of the low temperature fluid T L be thermally coupled by a heat exchanger and an associated valve assembly, wherein a respective tempered outflow of the valve assembly flows through the heat exchanger.

Die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie kann eine Rückführung elektrischer Energie in einen Energiewandlungsprozess ermöglichen.The conversion of thermal energy into electrical energy can enable a return of electrical energy into an energy conversion process.

Als isolierendes dielektrisches Material kann ein isolierender dielektrischer Einkristall eingesetzt werden und der isolierende dielektrische Einkristall kann zur elektrischen Kontaktierung mittels vorzugsweise physikalischer Gasphasenabscheidung mit Dünnschichtelektroden belegt werden.As the insulating dielectric material, an insulating dielectric single crystal may be used, and the insulating dielectric single crystal may be coated with thin-film electrodes for electrical contacting by means of preferably physical vapor deposition.

In der Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie befindet sich ein pyroelektrischer Wandler zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie nach dem konventionellen Olsen-Zyklus mit einer vorgegebenen hohen Spannung UH und einer vorgegebenen niedrigen Spannung UL der Pyroelektrizitätsspannung UPE zur Realisierung des vorgenannten Verfahrens,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 9
die Vorrichtung zumindest enthält

  • - einen pyroelektrischen Wandler, der zumindest aus mindestens einem isolierenden dielektrischen Material mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur besteht, und der zu einem schaltbaren pyroelektrischen Wandler zur Durchführung eines modifizierten Olsen-Zyklus ausgebildet ist, wobei der pyroelektrische Wandler zumindest umfasst
    • - das isolierende dielektrische Material mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur, das mit Elektroden kontaktiert ist,
    • - eine Spannungsquelle,
    • - eine zur Signalerfassung dienende Verbrauchseinrichtung, wobei das elektrodenkontaktierte Material, die Spannungsquelle und die Verbrauchseinrichtung miteinander zu einem Stromkreis verschaltet sind, und
    • - einen Wärmeübertrager, der mit dem elektrodenkontaktierten Material wärmegekoppelt beabstandet in Verbindung steht,
  • - eine außerhalb des schaltbaren pyroelektrischen Wandlers befindliche Ventilanordnung zur Steuerung des Zuflusses von hochtemperiertem Fluid und niedrigtemperiertem Fluid in den Wärmeübertrager, sowie
  • - eine Steuer-/Regeleinrichtung, die mit der Ventilanordnung, der Verbrauchseinrichtung und der Spannungsquelle in signaltechnischer Verbindung steht, wobei mit den Signalen der Steuer-/Regeleinrichtung zumindest die Spannungsquelle zur Einstellung der Pyroelektrizitätsspannung UPE am elektrodenkontaktierten pyroelektrischen Material auf eine Mindestspannung UL*, die gemäß dem modifizierten Olsen-Zyklus geringer als die vorgegebene, zum konventionellen Olsen-Zyklus gehörende, niedrige Spannung UL mit UL* < UL ist, gesteuert wird.
In the device for converting thermal energy into electrical energy, there is a pyroelectric converter for converting thermal energy into electrical energy after the conventional Olsen cycle with a predetermined high voltage U H and a predetermined low voltage U L the pyroelectricity voltage UPE for the realization of the aforementioned method,
wherein according to the characterizing part of claim 9
at least the device contains
  • a pyroelectric transducer comprising at least one insulating dielectric material having a crystalline and defect concentration structure and being formed into a switchable pyroelectric transducer for performing a modified Olsen cycle, the pyroelectric transducer at least comprising
    • the insulating dielectric material having a crystalline and a defect concentration structure contacted with electrodes,
    • a voltage source,
    • - A serving for signal detection consumption device, wherein the electrode-contacted material, the voltage source and the consumption device are interconnected to form a circuit, and
    • a heat exchanger which communicates with the electrode-contacted material in a heat-coupled manner,
  • - A located outside of the switchable pyroelectric transducer valve assembly for controlling the inflow of high-temperature fluid and low-temperature fluid in the heat exchanger, and
  • - A control / regulating device, which is in signal communication with the valve assembly, the consumption device and the voltage source, wherein at least the voltage source for adjusting the pyroelectricity voltage UPE on the electrode-contacted pyroelectric material to a minimum voltage with the signals of the control / regulating device U L * . in accordance with the modified Olsen cycle, less than the predetermined low voltage associated with the conventional Olsen cycle U L With U L * < U L is, is controlled.

Das mit Defekten versehene, isolierende dielektrische Material weist vorzugsweise eine zentrosymmetrische Kristallsymmetrie und eine Defektkonzentration auf, an dem durch Spannungszuschaltung eine Pyroelektrizität aufgebaut wird und die über den konventionellen Olsen-Zyklus für pyroelektrisches Material hinaus spannungsschaltbar ausgebildet ist.The defective, insulating dielectric material preferably has a centrosymmetric crystal symmetry and a defect concentration at which pyroelectricity is built up by the voltage connection and which is designed to be voltage-switchable beyond the conventional Olsen cycle for pyroelectric material.

Die Steuer-/Regeleinrichtung kann zur signaltechnischen Verbindung mit der Ventilanordnung, der Verbrauchseinrichtung und der Spannungsquelle jeweils Steuerleitungen aufweisen.The control / regulating device can each have control lines for signal-technical connection with the valve arrangement, the consumption device and the voltage source.

Das Defekte aufweisende, isolierende dielektrische Material kann ein isolierender dielektrischer Einkristall sein und zur elektrischen Kontaktierung mittels vorzugsweise physikalischer Gasphasenabscheidung mit Dünnschichtelektroden belegt sein.The defective, insulating dielectric material may be an insulating dielectric single crystal and be occupied for electrical contacting by means of preferably physical vapor deposition with thin-film electrodes.

Eine erste metallische Elektrode, das pyroelektrische Material als dielektrischer Isolator und die zweite metallische Elektrode können einen Metall-Isolator-Metall-Stapel bilden.A first metallic electrode, the pyroelectric material as a dielectric insulator, and the second metallic electrode may form a metal-insulator-metal stack.

Der Wärmeübertrager kann mit der Ventilanordnung über eine Zuflussleitung für den abwechselnden Durchfluss der Fluide durch den Wärmeübertrager hindurch verbunden sein und eine Abflussleitung für die Fluide aufweisen.The heat exchanger may be connected to the valve assembly via an inlet conduit for the alternate flow of fluids through the heat exchanger and having a drain line for the fluids.

Der schaltbare pyroelektrische Wandler kann mit einer parallelen Verschaltung mehrerer pyroelektrischer Materialien zu einem Stromkreis ausgebildet sein, wobei sich die auftretenden pyroelektrischen Ströme addieren.The switchable pyroelectric converter may be formed with a parallel connection of a plurality of pyroelectric materials to form a circuit, wherein the occurring pyroelectric currents add.

Der schaltbare pyroelektrische Wandler kann mit einer Reihenschaltung aus Spannungsquelle und mehreren pyroelektrischen Materialelementen versehen sein, wobei durch die Reihenschaltung eine Aufteilung der aus der Steuer-/Regeleinrichtung angelegten Spannung möglich ist, um unterschiedliche Spannungen an den einzelnen pyroelektrischen Materialelementen anzulegen, wobei sich die auftretenden pyroelektrischen Spannungen addieren.The switchable pyroelectric converter may be provided with a series connection of voltage source and a plurality of pyroelectric material elements, wherein the series circuit, a division of the voltage applied from the control voltage is possible to apply different voltages to the individual pyroelectric material elements, wherein the pyroelectric occurring Add voltages.

Der schaltbare pyroelektrische Wandler kann in Verbindung mit einer Spannungsversorgungseinheit für einen Energiewandler, z.B. einer Elektrolyse-Einrichtung als Abwärmequelle, einsetzbar sein, wobei dem schaltbaren pyroelektrischen Wandler mittels einer Pumpe abwechselnd gesteuert über die Steuer-/Regeleinrichtung das Fluid mit hoher Temperatur TH und das Fluid mit niedriger Temperatur TL mittels der Ventilanordnung zugeführt wird.The switchable pyroelectric converter can be used in conjunction with a power supply unit for an energy converter, such as an electrolysis device as a waste heat source, wherein the switchable pyroelectric converter by means of a pump alternately controlled by the control / regulating device, the fluid at high temperature T H and the low temperature fluid T L is supplied by means of the valve arrangement.

Der schaltbare pyroelektrische Wandler kann in einem Detektor zur Aufnahme von Strahlung aus dem Infrarotbereich enthalten sein, wobei der Detektor aus einem thermisch isolierenden Gehäuse besteht oder alternativ ein zusätzliches Detektionselement enthält, welches sich zwischen dem pyroelektrischen Material und dem Gehäuse befindet und somit in Differenzschaltung äußere Störeinflüsse kompensiert.The switchable pyroelectric transducer may be included in a detector for receiving radiation from the infrared region, wherein the detector consists of a thermally insulating housing or alternatively contains an additional detection element, which is located between the pyroelectric material and the housing and thus in differential circuit external interference compensated.

Im Gehäuse kann sich ein infrarot transparentes Fenster, hinter dem das schaltbare pyroelektrische Material angeordnet ist, befinden, wobei die Elektroden mit Durchführungen verbunden sind, die eine elektrische Kontaktierung bzw. einen elektrischen Anschluss außerhalb des Gehäuses ermöglichen, wobei sich außerhalb des Gehäuses eine Spannungsquelle zur Schaltung und Regelung der Pyroelektrizitätsspannung UPE des schaltbaren pyroelektrischen Materials befindet und wobei die Steuer-/Regeleinrichtung, die mit einer parallel zur Spannungsquelle gesteuerten Signalverstärkungseinheit in Verbindung steht, zur Abstimmung der Signalverstärkung der durch die gesteuerte/geregelte Pyroelektrizitätsspannung UPE erzeugten elektrischen Signale dient.In the housing, an infrared transparent window, behind which the switchable pyroelectric material is disposed, are located, wherein the electrodes are connected to bushings, which allow an electrical contact or an electrical connection outside the housing, wherein outside the housing, a voltage source for Circuit and control of the pyroelectricity voltage UPE of the switchable pyroelectric material is located and wherein the controller is in communication with a parallel to the voltage source controlled signal amplification unit, for tuning the signal amplification of the electrical signals generated by the controlled / controlled pyroelectricity UPE.

Der Erfindung liegt eine schaltbare und regelbare Pyroelektrizität, die unter anderem auch bei Raumtemperatur auftreten kann, zugrunde. Damit kann eine breitere pyroelektrische Materialbasis mit einem großen Spektrum an u. a. thermischen, dielektrischen und optischen Eigenschaften bereitgestellt werden, um pyroelektrische Anwendungen zu verbessern. Die aktive Materialzone kann in einer thermisch empfindlichen Schicht konzentriert sein und erlaubt dann eine kurze Anregungs- bzw. Ansprechzeit, da nicht das gesamte Material thermisch temperiert werden muss.
Unter Schaltbarkeit wird die Erzeugung von pyroelektrischen Phasen im isolierenden dielektrischen Material verstanden.
The invention is based on a switchable and controllable pyroelectricity, which may occur, inter alia, even at room temperature. Thus, a broader pyroelectric material base having a wide range of thermal, dielectric and optical properties, among others, can be provided to enhance pyroelectric applications. The active material zone can be concentrated in a thermally sensitive layer and then allows a short excitation or response time, since not the entire material must be thermally tempered.
Switchability is understood to mean the generation of pyroelectric phases in the insulating dielectric material.

Unter Regelbarkeit soll die stufenlose Einstellung einer spontanen Polarisation am isolierenden dielektrischen Material als Funktion der angelegten Spannung verstanden werden.Controllability is understood to mean the continuous adjustment of a spontaneous polarization on the insulating dielectric material as a function of the applied voltage.

Die Arbeit, die durch bestehende Wandler auf Basis des Olsen-Zyklus verrichtet wird, kann durch Einsatz von spannungsschaltbaren pyroelektrischen Materialien gesteigert werden.The work done by existing Olsen cycle based transducers can be increased by using voltage-switched pyroelectric materials.

In Bereichen der Energiewandlung und Energiespeicherung können schaltbare pyroelektrische Wandler eingesetzt werden, um die Effizienz der Prozesse durch Abwärmenutzung zu steigern. Gleichzeitig können Synergieeffekte durch die gemeinsame Nutzung einer Spannungsquelle erzielt werden, z.B. bei Elektrolyseprozessen oder Akkumulatoren.In areas of energy conversion and storage, switchable pyroelectric transducers can be used to increase the efficiency of processes through waste heat recovery. At the same time synergy effects can be achieved by sharing a voltage source, eg in electrolysis processes or accumulators.

Der durch das Verhältnis: Signal zu Signaluntergrund festgelegte Gütefaktor pyroelektrischer Detektoren steigt mit der Erhöhung des pyroelektrischen Koeffizienten, mit der Absenkung der spezifischen Wärmekapazität und mit der Absenkung der Permittivität. Die breitere Materialbasis auf Grundlage vorgenannter schaltbarer Pyroelektrizität ermöglicht es, Materialien einzusetzen, die zu einer signifikanten Erhöhung des Gütefaktors führen. Durch eine zusätzliche Regelung/Regelbarkeit des pyroelektrischen Effekts wird auch eine verbesserte Sensitivität des Detektors ermöglicht.The quality factor of pyroelectric detectors defined by the ratio: signal to signal background increases with the increase of the pyroelectric coefficient, with the reduction of the specific heat capacity and with the lowering of the permittivity. The broader material basis based on the aforementioned switchable pyroelectricity makes it possible to use materials that lead to a significant increase in the quality factor. An additional control / controllability of the pyroelectric effect also enables an improved sensitivity of the detector.

Weiterbildungen und spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.Further developments and special embodiments of the invention are specified in further subclaims.

Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zu Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie mit einem schaltbaren pyroelektrischen Wandler zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie,
  • 2a eine schematische Darstellung einer Parallelschaltung mehrerer Kristalle zu einem Stromkreis innerhalb des schaltbaren pyroelektrischen Wandlers,
  • 2b eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung mehrerer Kristalle zu einem Stromkreis innerhalb des schaltbaren pyroelektrischen Wandlers,
  • 3a einen konventionellen Olsen-Zyklus,
  • 3b eine Anwendung des in 1 dargestellten schaltbaren pyroelektrischen Wandlers mittels eines den konventionellen Olsen-Zyklus modifizierten arbeitsverbessernden Kreisprozesses,
  • 4 einen Einsatz eines schaltbaren pyroelektrischen Wandlers in Verbindung mit einer Spannungsversorgungseinheit eines Energiewandlers, z.B. einer Elektrolyse-Einrichtung, als Abwärmequelle und
  • 5 eine Anwendung eines spannungsschaltbaren pyroelektrischen Materials innerhalb eines Detektors zur Erfassung von Strahlung eines Infrarot-Wellenlängenbereiches (Wärmequelle).
The invention will be illustrated by means of several embodiments with reference to drawings.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a device for converting thermal energy into electrical energy with a switchable pyroelectric converter for converting thermal energy into electrical energy,
  • 2a a schematic representation of a parallel connection of several crystals to a circuit within the switchable pyroelectric converter,
  • 2 B a schematic representation of a series connection of several crystals to a circuit within the switchable pyroelectric converter,
  • 3a a conventional Olsen cycle,
  • 3b an application of the in 1 illustrated switchable pyroelectric transducer by means of a conventional Olsen cycle modified work-enhancing cycle,
  • 4 a use of a switchable pyroelectric transducer in conjunction with a power supply unit of an energy converter, such as an electrolysis device, as a waste heat source and
  • 5 an application of a voltage switchable pyroelectric material within a detector for detecting radiation of an infrared wavelength range (heat source).

In 1 ist in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung 1 zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie gezeigt, in der sich ein pyroelektrischer Wandler zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie nach dem konventionellen Olsen-Zyklus mit einer vorgegebenen maximalen Spannung UH und einer vorgegebenen minimalen Spannung UL der Pyroelektrizitätsspannung UPE befindet. Erfindungsgemäß enthält zumindest die Vorrichtung 1

  • -den pyroelektrischen Wandler 2, der zumindest aus mindestens einem isolierenden dielektrischen Material (3) mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur besteht und der zu einem schaltbaren pyroelektrischen Wandler (2) zur Durchführung eines modifizierten Olsen-Zyklus ausgebildet ist, der zumindest umfasst
    • - das isolierende dielektrische Material 3 mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur, wobei das Material 3 mit Elektroden 4, 5 kontaktiert ist,
    • - eine Spannungsquelle 6,
    • - eine zur Signalerfassung dienende Verbrauchseinrichtung 7, wobei das elektrodenkontaktierte Material 3, die Spannungsquelle 6 und die Verbrauchseinrichtung 7 miteinander zu einem Stromkreis 20 verschaltet sind, und
    • - einen Wärmeübertrager 8, der mit dem elektrodenkontaktierte Material 3 beabstandet in Verbindung steht,
  • - eine außerhalb des schaltbaren pyroelektrischen Wandlers 2 befindliche Ventilanordnung 9 zur Steuerung des Zuflusses von hochtemperiertem Fluid 10 und von niedrigtemperiertem Fluid 11 in den Wärmeübertrager 8, sowie
  • - eine Steuer-/Regeleinrichtung 12, die mit der Ventilanordnung 9, der Verbrauchseinrichtung 7 und der Spannungsquelle 6 in signaltechnischer Verbindung steht, wobei mit den Signalen der Steuer-/Regeleinrichtung 12 zumindest die Spannungsquelle 6 zur Einstellung der Pyroelektrizitätsspannung UPE am elektrodenkontaktierten pyroelektrischen Material 3 auf eine in einem modifizierten Olsen-Zyklus gemäß 3b eingestellte Mindestspannung UL*, die geringer als die vorgegebene, zum konventionellen Olsen-Zyklus gehörende niedrige Spannung UL mit UL* < UL ist, gesteuert wird.
In 1 is a schematic representation of a device 1 for converting thermal energy into electrical energy, in which a pyroelectric transducer for converting thermal energy into electrical energy after the conventional Olsen cycle with a predetermined maximum voltage U H and a predetermined minimum voltage U L the pyroelectricity voltage UPE is located. According to the invention, at least the device contains 1
  • the pyroelectric converter 2 at least comprising at least one insulating dielectric material ( 3 ) having a crystalline and a defect concentration structure and which is a switchable pyroelectric transducer ( 2 ) is designed to carry out a modified Olsen cycle, which comprises at least
    • - The insulating dielectric material 3 having a crystalline and a defect concentration structure, wherein the material 3 with electrodes 4 . 5 is contacted,
    • - a voltage source 6 .
    • - A serving for signal acquisition consumer device 7 wherein the electrode-contacted material 3 , the voltage source 6 and the consumer device 7 together to form a circuit 20 are interconnected, and
    • - a heat exchanger 8th that with the electrode-contacted material 3 spaced communicates,
  • - One outside the switchable pyroelectric converter 2 located valve assembly 9 for controlling the inflow of high-temperature fluid 10 and low-temperature fluid 11 in the heat exchanger 8th , such as
  • - a control / regulating device 12 connected to the valve assembly 9 , the consumer device 7 and the voltage source 6 is in signal communication, with the signals of the control / regulating device 12 at least the voltage source 6 for adjusting the pyroelectricity voltage UPE at the electrode-contacted pyroelectric material 3 to one in a modified Olsen cycle according to 3b set minimum voltage U L * which is lower than the predetermined low voltage associated with the conventional Olsen cycle U L with U L * <U L is controlled.

Im isolierenden dieektrischen Material 3 kann bezogen auf Raumtemperatur 20°C und normalem Druck die Defektkonzentration mittels einer Behandlung bei höherer Temperatur und/oder bei vermindertem Druck oder mittels Ionenbeschuss erhöht sein.In the insulating dielectric material 3 With reference to room temperature 20 ° C. and normal pressure, the defect concentration can be increased by means of a treatment at higher temperature and / or under reduced pressure or by ion bombardment.

Die Steuer-/Regeleinrichtung 12 weist gemäß 1 zur signaltechnischen Verbindung mit der Ventilanordnung 9, der Verbrauchseinrichtung 7 und der Spannungsquelle 6 jeweils Steuerleitungen 13, 14, 15 auf.The control device 12 according to 1 for signaling connection with the valve arrangement 9 , the consumer device 7 and the voltage source 6 each control lines 13 . 14 . 15 on.

Die metallische Elektrode 4, das pyroelektrische Kristallmaterial 3 als Isolator und die metallische Elektrode 5 bilden einen Metall-Isolator-Metall-Stapel 43.The metallic electrode 4 , the pyroelectric crystal material 3 as insulator and the metallic electrode 5 Form a Metal Insulator Metal Stack 43 ,

Dabei wird als pyroelektrisches Material ein mit Defekten versehenes, isolierendes dielektrisches Material 3 mit einer vorzugsweise zentrosymmetrischen Kristallsymmetrie und mit einer Defektkonzentration eingesetzt, an dem durch Spannungszuschaltung eine Pyroelektrizität aufgebaut wird und die über den konventionellen Olsen-Zyklus für pyroelektrisches Material hinaus spannungsschaltbar ausgebildet wird.In this case, a pyroelectric material provided with defects, insulating dielectric material 3 used with a preferably centrosymmetric crystal symmetry and with a defect concentration at which a pyroelectricity is built up by voltage connection and which is designed to be voltage switchable beyond the conventional Olsen cycle for pyroelectric material.

Das isolierende dielektrische Material 3 kann ein isolierender dielektrischer Einkristall sein, der zur elektrischen Kontaktierung mittels vorzugsweise physikalischer Gasphasenabscheidung mit Dünnschichtelektroden 4, 5 belegt ist.The insulating dielectric material 3 may be an insulating dielectric single crystal used for electrical contacting by means of preferably physical vapor deposition with thin-film electrodes 4 . 5 is occupied.

Der Wärmeübertrager 8 ist mit der Ventilanordnung 9 über eine Zuflussleitung 16 für den abwechselnden Durchfluss der Fluide 10 und 11 verbunden und weist eine Abflussleitung 17 für die Fluide 10 und 11 auf.The heat exchanger 8th is with the valve assembly 9 via an inflow line 16 for the alternate flow of fluids 10 and 11 connected and has a drain line 17 for the fluids 10 and 11 on.

Das Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie in einem Stromkreis 20 mit Spannungsquelle 6, 28 und Verbrauchseinrichtung 7 weist zumindest folgende Schritte auf

  • - Beschichten mindestens eines isolierenden dielektrischen Materials 3 mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur mit metallischen Elektroden 4, 5 zur Ausbildung mindestens eines Metall-Isolator-Metall-Stapels 43, wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel 43 zu dem Stromkreis 20 mit Spannungsquelle 6, 28 und Verbrauchseinrichtung 7 gehört,
  • - Anlegen/Schalten einer Spannung UPE aus der Spannungsquelle 6, 28 zur Erniedrigung der Kristallsymmetrie durch Ausbildung eines Defektkonzentrationsgradienten im isolierenden dielektrischen Material 3, wobei das isolierende dielektrische Material 3 zu einem schaltbaren pyroelektrischen Material wird, und damit
  • - Erzeugen von pyroelektrischen Phasen im isolierenden dielektrischen Material 3, die eine Polarisation im Material 3 erzeugen,
  • - Ankoppeln von Wärmeströmen hoher Temperatur TH und Wärmeströmen niedriger Temperatur TL als eingebrachte thermische Energie im vorgegeben Wechsel mittels eines Wärmeübertragers 8 an die erzeugten pyroelektrischen Phasen, wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel 43, die Spannungsquelle 6, 28, die Verbrauchseinrichtung 7 und der thermisch ankoppelbare Wärmeübertrager 8 einen schaltbaren pyroelektrischen Wandler 2 bilden, und
  • - Abgreifen eines elektrischen Stromes als elektrische Energie aus dem Stromkreis 20 nach dem wechselseitigen thermischen Ankoppeln der Wärmeströme als Folge einer Polarisationsänderung der vorher erzeugten pyroelektrischen Phasen.
The process of converting thermal energy into electrical energy in a circuit 20 with voltage source 6 . 28 and consumption device 7 has at least the following steps
  • Coating at least one insulating dielectric material 3 having a crystalline and a defect concentration structure with metallic electrodes 4 . 5 for forming at least one metal-insulator-metal stack 43 where the metal-insulator-metal stack 43 to the circuit 20 with voltage source 6 . 28 and consumption device 7 belongs,
  • - Apply / switch a voltage UPE from the voltage source 6 . 28 for lowering the crystal symmetry by forming a defect concentration gradient in the insulating dielectric material 3 wherein the insulating dielectric material 3 becomes a switchable pyroelectric material, and thus
  • - Creating pyroelectric phases in the insulating dielectric material 3 that has a polarization in the material 3 produce,
  • - Coupling of high temperature heat flows T H and low temperature heat flows T L as introduced thermal energy in the predetermined change by means of a heat exchanger 8th to the generated pyroelectric phases, the metal-insulator-metal stack 43 , the voltage source 6 . 28 , the consumer device 7 and the thermally coupled heat exchanger 8th a switchable pyroelectric converter 2 form, and
  • - Picking up an electric current as electrical energy from the circuit 20 after the mutual thermal coupling of the heat flows as a result of a polarization change of the previously generated pyroelectric phases.

Im isolierenden diektrischen Material 3 kann bezogen auf Raumtemperatur 20°C und normalem Druck die Defektkonzentration mittels einer Behandlung bei höherer Temperatur und/oder bei vermindertem Druck oder mittels Ionenbeschuss erhöht werden.In insulating the dielectric material 3 can be increased based on room temperature 20 ° C and normal pressure, the defect concentration by means of a treatment at a higher temperature and / or at reduced pressure or by ion bombardment.

Als pyroelektrisches Material kann ein mit Defekten versehenes, isolierendes dielektrisches Material 3 mit einer vorzugsweise zentrosymmetrischen Kristallsymmetrie und einer Defektkonzentration eingesetzt werden, an dem durch Spannungszuschaltung eine Pyroelektrizität aufgebaut wird und die über einen konventionellen Olsen-Zyklus für pyroelektrisches Material hinaus spannungsschaltbar ausgebildet wird.As a pyroelectric material may be provided with a defective, insulating dielectric material 3 can be used with a preferably centrosymmetric crystal symmetry and a defect concentration at which a pyroelectricity is built up by voltage connection and which is formed over a conventional Olsen cycle for pyroelectric material out voltage switchable.

Zum Schalten der Spannungen wird der konventionelle Olsen-Zyklus genutzt, wobei der konventionelle Olsen-Zyklus folgende Schritte aufweist:

  • • In einem ersten Schritt (A-B) wird ein elektrodenkontaktiertes pyroelektrisches Material des pyroelektrischen Wandlers 2 bei einer vorgegebenen hohen Spannung UH mittels eines Wärmeübertragers und eines den Wärmeübertrager durchströmenden hochtemperierten Fluids 10 solange aufgeheizt, bis die Polarisationskurve einer hohen Temperatur TH erreicht ist,
  • • in einem zweiten Schritt (B-C) erfolgt eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über eine an das elektrodenkontaktierende pyroelektrische Material angelegte Spannungsquelle solange, bis eine vorgegebene niedrige Spannung UL erreicht ist,
  • • in einem dritten Schritt (C-D) erfolgt mittels eines den Wärmeübertrager durchströmenden niedrigtemperierten Fluids 11 ein Abkühlungsschritt im Bereich der vorgegebenen niedrigen Spannung UL solange, bis die Polarisationskurve einer niedrigeren Temperatur TL erreicht ist, und
  • • in einem den Kreisprozess schließenden Schritt (D-A) erfolgt eine isotherme Aufladung der Oberflächenladung OPE bis zur ursprünglich vorgegebenen hohen Spannung UH ,
wobei die Fläche (A-B-C-D-A) die verrichtete Arbeit und damit die elektrische Energie bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie darstellt,
wobei in Weiterentwicklung des konventionellen Olsen-Zyklus zu einem modifizierten Olsen-Zyklus/arbeitsverbesserten Kreisprozess zumindest folgende modifizierte Schritte durchgeführt werden:
  • • der ursprüngliche zweite Schritt (B-C) wird durch eine Steuer-/Regeleinrichtung 12 derart zu einem spannungsdifferenzvergrößerten Schritt (B-F) modifiziert, wobei von der hohen Spannung UH aus die vorgegebene niedrige Spannung UL unterschreitend bis auf eine Mindestspannung UL* verringert geschaltet wird, wobei während des modifizierten zweiten Schrittes (B-F) schrittparallel eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über die angelegte Spannungsquelle 6, 28 solange durchgeführt wird, bis die Mindestspannung UL* im Punkt F erreicht wird,
  • • der ursprüngliche dritte Schritt (C-D) wird derart zu einem Schritt (F-D) modifiziert, wobei mittels des den Wärmeübertrager 8 durchströmenden niedrigtemperierten Fluids 11 während des modifizierten dritten Schrittes (F-D) ein Abkühlungsschritt aus dem Bereich der Mindestspannung UL* vom Punkt F aus solange erfolgt, bis die Polarisationskurve der ursprünglichen niedrigen Temperatur TL im Punkt D mit der Oberflächenladung OPE erreicht ist,
wodurch mittels der Spannungsänderung von UH nach UL* bei erreichter Fläche A-B-F-D-A eine um die Fläche B-F-D-C-B erhöhte Arbeit und damit erhöhte elektrische Energie durch das schaltbare pyroelektrische Material 3 im schaltbaren pyroelektrischen Wandler 2 verrichtet wird.For switching the voltages, the conventional Olsen cycle is used, the conventional Olsen cycle comprising the following steps:
  • In a first step (AB) becomes an electrode-contacted pyroelectric material of the pyroelectric transducer 2 at a given high voltage U H by means of a heat exchanger and a heat exchanger flowing through high-temperature fluid 10 heated up until the polarization curve of a high temperature T H is reached,
  • In a second step (BC) an isothermal discharge of the surface charge OPE takes place via a voltage source applied to the electrode-contacting pyroelectric material until a predetermined low voltage is reached U L is reached,
  • In a third step (CD) takes place by means of a low-temperature fluid flowing through the heat exchanger 11 a cooling step in the range of the predetermined low voltage U L until the polarization curve of a lower temperature T L is reached, and
  • • In a step (DA) closing the cycle process, an isothermal charging of the surface charge OPE takes place up to the originally specified high voltage U H .
wherein the area (ABCDA) represents the work done and thus the electrical energy in the conversion of thermal energy into electrical energy,
wherein, as a further development of the conventional Olsen cycle to a modified Olsen cycle / improved work cycle, at least the following modified steps are carried out:
  • • The original second step (BC) is controlled by a controller 12 thus modified to a voltage difference magnified step (BF), wherein the high voltage U H from the given low voltage U L below a minimum voltage U L * is reduced, wherein during the modified second step (BF) stepwise parallel an isothermal discharge of the surface charge OPE on the applied voltage source 6 . 28 as long as is carried out until the minimum voltage U L * reached in point F,
  • The original third step (CD) is thus modified to a step (FD) using the heat exchanger 8th flowing low-temperature fluid 11 during the modified third step (FD) a cooling step from the range of the minimum voltage U L * from point F until the polarization curve is at the original low temperature T L at the point D reached with the surface charge OPE,
whereby by means of the voltage change of U H after U L * when the area ABFDA is reached, work increased by the area BFDCB and thus increased electrical energy through the switchable pyroelectric material 3 in the switchable pyroelectric converter 2 is done.

Die vorgegebene hohe Spannung UH kann als maximale Spannung und die vorgegebene niedrige Spannung UL kann als minimale Spannung ausgebildet werden.The specified high voltage U H can be as maximum voltage and the given low voltage U L can be designed as minimum voltage.

Infolge der vorhandenen schaltbaren Pyroelektrizitätsspannung UPE kann die angelegte niedrige Spannung UL auf eine Mindestspannung UL* reduziert werden.Due to the existing switchable pyroelectricity voltage UPE, the applied low voltage U L to a minimum voltage U L * be reduced.

Mittels einer Regelung der an das isolierende dielektrische Material 3 angelegten Spannung aus der Spannungsquelle 6, 28 in dem pyroelektrischen Material 3 kann lokal eine stufenlose Einstellung der Polarisation resultierend aus der Kristallsymmetrie-Erniedrigung in Bezug auf die geladenen intrinsischen Defekte oder eingebrachten Defekte erfolgen und durch die Schaltung kann eine Umverteilung geladener intrinsischer Defekte oder eingebrachter Defekte erfolgen und dabei die Kristallsymmetrie erniedrigt werden, wodurch in dem isolierenden dielektrischen Material 3 spannungsbezogene pyroelektrische Phasen entstehen, die eine Polarisation im isolierenden dielektrischen Material 3 ausbilden und zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie genutzt werden.By means of a regulation of the insulating dielectric material 3 applied voltage from the voltage source 6 . 28 in the pyroelectric material 3 For example, locally a stepless adjustment of the polarization resulting from the crystal symmetry decrease with respect to the charged intrinsic defects or introduced defects can be made, and the circuit can redistribute charged intrinsic defects or introduced defects, thereby lowering the crystal symmetry, thereby resulting in the insulating dielectric material 3 Voltage-related pyroelectric phases arise which cause polarization in the insulating dielectric material 3 training and be used to convert thermal energy into electrical energy.

Der Wärmestrom des Fluids 10 mit hoher Temperatur TH wird abwechselnd mit dem Wärmestrom des Fluids 11 mit niedriger Temperatur TL mittels des Wärmeübertragers 8 und der zugeordneten Ventilanordnung 9 thermisch angekoppelt, wobei ein jeweiliger Ausflussstrom der Ventilanordnung 9 den Wärmeübertrager 8 durchfließt.The heat flow of the fluid 10 with high temperature T H becomes alternating with the heat flow of the fluid 11 with low temperature T L by means of the heat exchanger 8th and the associated valve assembly 9 thermally coupled, wherein a respective outflow stream of the valve assembly 9 the heat exchanger 8th flows.

Die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie kann eine Rückführung elektrischer Energie in einen Energiewandlungsprozess ermöglichen.The conversion of thermal energy into electrical energy can enable a return of electrical energy into an energy conversion process.

Als isolierendes dielektrisches Material 3 kann ein isolierender dielektrischer Einkristall eingesetzt werden und der isolierende dielektrische Einkristall 3 kann zur elektrischen Kontaktierung mittels vorzugsweise physikalischer Gasphasenabscheidung mit Dünnschichtelektroden 4, 5 belegt werden.As insulating dielectric material 3 For example, an insulating dielectric single crystal and the insulating dielectric single crystal may be used 3 can for electrical contacting by means of preferably physical vapor deposition with thin-film electrodes 4 . 5 be occupied.

Das Verfahren verläuft folgendermaßen: The procedure is as follows:

Ein isolierendes dielektrisches Material 3, z.B. ein Einkristall (Dicke zwischen 100nm und 1mm) z.B. aus Strontiumtitanat, wird zur elektrischen Kontaktierung per physikalischer Gasphasenabscheidung mit Dünnschichtelektroden 4, 5 belegt. Durch ein gesteuertes Anlegen der Pyroelektrizitätsspannung UPE aus der Spannungsquelle 6 an den Kristall 3 kann in dem Kristall 3 lokal eine Schaltung der Symmetrie durch Umverteilung geladener intrinsischer Defekte oder eingebrachter Defekte im elektrischen Feld (in der Größenordnung 1MV/m) erniedrigt werden. Folglich entstehen in dem Einkristall 3 spannungsbezogene pyroelektrische Phasen, die zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie genutzt werden können.An insulating dielectric material 3 , For example, a single crystal (thickness between 100nm and 1mm), for example, from strontium titanate, is for electrical contacting by physical vapor deposition with thin-film electrodes 4 . 5 busy. By controlled application of the pyroelectricity voltage UPE from the voltage source 6 to the crystal 3 can in the crystal 3 locally a circuit of symmetry by redistribution of charged intrinsic defects or introduced defects in the electric field (in the order of 1MV / m) are lowered. Consequently, arise in the single crystal 3 Voltage-related pyroelectric phases that can be used to convert thermal energy into electrical energy.

Der Metall(4)-Isolator(3)-Metall(5)-Stapel 43 ist Bestandteil eines mittels elektrischer Leitungen ausgebildeten Stromkreises 20, welcher zusätzlich eine Spannungsquelle 6 und eine Verbrauchseinrichtung 7, z.B. einen Verbraucher und/oder eine Messeinrichtung enthält.The metal (4) insulator (3) metal (5) stack 43 is part of a circuit formed by means of electrical lines 20 , which additionally a voltage source 6 and a consumer device 7 , Contains eg a consumer and / or a measuring device.

Ein Wärmestrom des Fluids 10 mit hoher Temperatur TH kann abwechselnd mit einem Wärmestrom des Fluids 11 mit niedriger Temperatur TL mittels des Wärmeübertragers 8 und der Ventilanordnung 9 thermisch angekoppelt werden. Der Ausflussstrom der Ventilanordnung 9 durchfließt über Leitung 16 den Wärmeübertrager 8.
Der Zusammenbau aus Stromkreis 20, Kristallmaterial 3 und Wärmeübertrager 8 sowie Spannungsquelle 6 wird als schaltbarer pyroelektrischer Wandler 2 bezeichnet (SPW).
A heat flow of the fluid 10 with high temperature T H can alternate with a heat flow of the fluid 11 with low temperature T L by means of the heat exchanger 8th and the valve assembly 9 be thermally coupled. The outflow stream of the valve assembly 9 flows through wire 16 the heat exchanger 8th ,
The assembly of circuit 20 , Crystal material 3 and heat exchangers 8th as well as voltage source 6 is used as a switchable pyroelectric converter 2 designated (SPW).

Die 2a zeigt einen inneren Teil eines schaltbaren pyroelektrischen Wandlers 2 mit einer möglichen parallelen Verschaltung mehrerer Kristallmaterialien 3, 18, 19 zu einem Stromkreis 20. Die Darstellung beinhaltet eine Parallelschaltung 21 aus Spannungsquelle 6 und den elektrodenkontaktierenden Kristallmaterialien/- elementen 3, 18, 19. Dadurch kann an die einzelnen Materialelemente 3, 18, 19 eine identische Spannung aus der Steuer-/Regeleinrichtung 12 angelegt werden, während sich die auftretenden pyroelektrischen Ströme addieren. The 2a shows an inner part of a switchable pyroelectric transducer 2 with a possible parallel interconnection of several crystal materials 3 . 18 . 19 to a circuit 20 , The illustration includes a parallel connection 21 from voltage source 6 and the electrode-contacting crystal materials / elements 3 . 18 . 19 , This allows the individual material elements 3 . 18 . 19 an identical voltage from the controller 12 are applied while the occurring pyroelectric currents add up.

Weiterhin ist in 2b eine Reihenschaltung 22 aus Spannungsquelle 6 und den Materialelementen 3, 18, 19 dargestellt. Durch die Reihenschaltung 22 ist eine Aufteilung der aus der Steuer-/Regeleinrichtung 12 angelegten Spannung möglich, um unterschiedliche Spannungen an den einzelnen Materialelementen 3, 18, 19 anzulegen, wobei sich die auftretenden pyroelektrischen Spannungen addieren.Furthermore, in 2 B a series connection 22 from voltage source 6 and the material elements 3 . 18 . 19 shown. Through the series connection 22 is a breakdown of the control 12 applied voltage possible to different voltages on the individual material elements 3 . 18 . 19 create, with the occurring pyroelectric voltages add up.

In der 3b ist eine Anwendung des in 1 dargestellten schaltbaren pyroelektrischen Wandlers 2 in Form eines gegenüber dem konventionellen Olsen-Zyklus 25, der in 3a dargestellt ist, modifizierten und arbeitsverbesserten Kreisprozesses 24 gezeigt. Der dargestellte, mit Pfeilen für eine ausgerichtete Prozess-Verlaufsrichtung versehene modifizierte arbeitsverbesserte Kreisprozess 24 besteht aus den vier Schritten:

  • • Im ersten Schritt (A-B) wird das elektrodenkontaktierte schaltbare pyroelektrische Kristallmaterial 3 bei einer hohen Spannung UH mittels des Wärmeübertragers 8 und des den Wärmeübertrager 8 durchströmenden hochtemperiertem Fluids 10 solange aufgeheizt, bis die Polarisationskurve einer hohen Temperatur TH im Punkt B erreicht ist.
  • • Im zweiten Schritt (B-C) wird durch die Steuer-/Regeleinrichtung 12 gesteuert die niedrige Spannung UL bis auf die Mindestspannung UL* verringert.
  • • Während des zweiten Schrittes (B-C) erfolgt zeitparallel eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über die angelegte Spannungsquelle 6 solange, bis die Mindestspannung UL* erreicht ist.
  • • Im dritten Schritt (C-D) erfolgt mittels des den Wärmeübertrager 8 durchströmenden niedrigtemperierten Fluids 11 ein Abkühlungsschritt im Bereich der Mindestspannung UL* solange, bis die Polarisationskurve der ursprünglichen niedrigen Temperatur TL im Punkt F erreicht ist.
  • • In einem den Kreisprozess 24 schließenden vierten Schritt (D-A) erfolgt eine isotherme Aufladung der Oberflächenladung OPE von der Mindestspannung UL* aus bis zur maximalen Spannung UH .
In the 3b is an application of in 1 shown switchable pyroelectric transducer 2 in the form of a versus the conventional Olsen cycle 25 who in 3a is presented, modified and improved work cycle 24 shown. The illustrated, provided with arrows for an aligned process direction direction modified work improved cycle 24 consists of the four steps:
  • In the first step (AB) becomes the electrode-contacted switchable pyroelectric crystal material 3 at a high voltage U H by means of the heat exchanger 8th and of the heat exchanger 8th flowing through high-temperature fluid 10 heated up until the polarization curve of a high temperature T H at the point B is reached.
  • • In the second step (BC) is by the control 12 controls the low voltage U L to the minimum voltage U L * reduced.
  • During the second step (BC), an isothermal discharge of the surface charge OPE takes place parallel to time via the applied voltage source 6 until the minimum voltage U L * is reached.
  • • In the third step (CD) takes place by means of the heat exchanger 8th flowing low-temperature fluid 11 a cooling step in the range of the minimum voltage U L * until the polarization curve of the original low temperature T L at the point F is reached.
  • • In one the cycle process 24 closing fourth step (DA) there is an isothermal charge of the surface charge OPE from the minimum voltage U L * off to the maximum voltage U H ,

Mittels der stufenlos einstellbaren Spannung von UH nach UL* wird über die Flächen A-B-C-D-A des konventionellen Olsen-Zyklus hinaus mit der modifizierten Fläche A-B-F-D-A eine um die Fläche B-F-D-C-B erhöhte Arbeit und damit erhöhte Energie verrichtet und abgegriffen.By means of the infinitely adjustable voltage of U H after U L * In addition to the surfaces ABCDA of the conventional Olsen cycle, with the modified surface ABFDA, work increased by the surface BFDCB and thus increased energy is performed and tapped.

Damit ist das gesetzte Ziel erreicht, dass die in 3a dargestellte konventionelle Fläche 44 der zugehörigen Arbeit bei Vergleich zwischen der 3a und 3b in 3b durch den schaltbaren pyroelektrischen Wandler 2 um die Zusatzfläche 45 zu einer Gesamtfläche 46 erhöht werden kann. Durch die schaltbare Pyroelektrizität kann die angelegte niedrige Spannung UL auf eine angelegte Mindestspannung UL*, bei der keine Oberflächenladung OPE vorhanden ist, reduziert werden.
Darüber hinaus kann der absolute Temperaturbereich frei gewählt werden, da der Effekt bei beliebiger Temperatur nutzbar ist, welche sonst auf ein Temperaturintervall nahe unterhalb der intrinsischen Curie-Temperatur fixiert wäre.
Im Punkt F ist der Urzustand einer vorzugsweise zentrosymmetrischen Kristallsymmetrie im isolierenden dielektrischen Material vorhanden. Im Bereich zwischen dem Punkt F und dem Punkt D werden bei der niedrigen Temperatur TL durch die angelegte Spannung UPE pyroelektrische Phasen aufgebaut, so dass ab Punkt D durch Spannungserhöhung und im Punkt A durch einen Heizschritt die Umwandlung von thermischer Energie auf der Basis der hohen Temperatur TH in elektrische Energie im modifizierten Kreisprozess F-D-A-B-F durchgeführt wird. Bei Erreichen des Punktes F ist wieder die variable Polarisation am isolierenden dielektrischen Material 3 wesentlich verringert bzw. nicht mehr vorhanden.
Thus, the set goal is achieved that in 3a illustrated conventional area 44 the associated work in comparison between the 3a and 3b in 3b through the switchable pyroelectric converter 2 around the additional area 45 to a total area 46 can be increased. Due to the switchable pyroelectricity, the applied low voltage U L to an applied minimum voltage U L * , at no surface charge O PE exists, can be reduced.
In addition, the absolute temperature range can be chosen freely, since the effect can be used at any temperature which would otherwise be fixed to a temperature interval close to below the intrinsic Curie temperature.
In the point F the original state of a preferably centrosymmetric crystal symmetry is present in the insulating dielectric material. In the area between the point F and the point D become at the low temperature T L built up by the applied voltage UPE pyroelectric phases, so starting from point D by increasing the voltage and in the point A by a heating step, the conversion of thermal energy based on the high temperature T H is performed in electrical energy in the modified cycle FDABF. Upon reaching the point F again is the variable polarization on the insulating dielectric material 3 significantly reduced or no longer available.

Zusammenfassend kann, wie in 3b dargestellt ist, die durch den erfindungsgemäßen Kreisprozess 24 in 3b eingeschlossene Fläche 46, also die insgesamt geleistete Arbeit, gegenüber der eingeschlossenen gepunktet dargestellten Fläche 44 in 3a des konventionellen Olsen-Zyklus 25 um die schraffiert dargestellte Zusatzfläche 45 erhöht werden.In summary, as in 3b is represented by the cycle according to the invention 24 in 3b enclosed area 46 , that is, the total work done, compared to the enclosed dotted area 44 in 3a the conventional Olsen cycle 25 around the additional area hatched 45 increase.

In der 4 ist eine Anwendung des schaltbaren pyroelektrischen Wandlers 2 in Verbindung mit einer Spannungsversorgungseinheit 28 eines Energiewandlers, z.B. einer Elektrolyse-Einrichtung 37 als Abwärmequelle, gezeigt. Dem schaltbaren pyroelektrischen Wandler 2 werden mittels einer Pumpe 27 abwechselnd gesteuert über die Steuer-/Regeleinrichtung 12 das Fluid 10 mit der hohen Temperatur TH (H-High) und das Fluid 11 mit niedriger Temperatur TL (L-Low) mittels der Ventilanordnung 9 zugeführt. Mittels der Elektrolyse in der Elektrolyse-Einrichtung 37 kann durch die Zuführung von elektrischer Energie aus dem schaltbaren pyroelektrischen Wandler 2 zumindest ein Einsatzstoff 38 in gespaltene/getrennte Produkte 39 überführt werden. Der mittels der Steuer-/Regeleinrichtung 12 schaltbare pyroelektrische Wandler 2 ist über mindestens eine elektrische Leitung 40 mit der Elektrolyse-Einrichtung 37 zur Übertragung von in dem Wandler 2 erzeugter elektrischer Energie verbunden. Auch die Spannungsquelle 28 steht mit der Elektrolyse-Einrichtung 37 über Leitung 41 und dem Wandler 2 über Leitung 42 in Verbindung. Die Steuer-/Regeleinrichtung 12 steht über zugeordnete Verbindungsleitungen/ Steuerleitungen 23 mit der Spannungsquelle 28, dem Wandler 2, der Pumpe 27, der Ventilanordnung 9 und der Elektrolyse-Einrichtung 37 in Verbindung.In the 4 is an application of the switchable pyroelectric transducer 2 in conjunction with a power supply unit 28 an energy converter, eg an electrolysis device 37 as waste heat source, shown. The switchable pyroelectric converter 2 be by means of a pump 27 alternately controlled by the controller 12 the fluid 10 with the high temperature T H (H-High) and the fluid 11 with low temperature T L (L-Low) by means of the valve assembly 9 fed. By means of electrolysis in the electrolysis facility 37 can be achieved by the supply of electrical energy from the switchable pyroelectric converter 2 at least one input material 38 in split / separated products 39 be transferred. The by means of the control / regulating device 12 switchable pyroelectric converters 2 is via at least one electrical line 40 with the electrolysis device 37 for transmitting in the converter 2 connected electrical energy. Also the voltage source 28 stands with the electrolysis facility 37 via wire 41 and the converter 2 via wire 42 in connection. The control device 12 is via assigned connection lines / control lines 23 with the voltage source 28 , the converter 2 , the pump 27 , the valve assembly 9 and the electrolysis device 37 in connection.

Die in 3b dargestellte und gesteuerte Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie ermöglicht auch eine Rückführung elektrischer Energie in den in 4 dargestellten Energiewandlungsprozess. Durch Nutzung einer gemeinsamen Spannungsquelle 6, 28 lassen sich Synergieeffekte erzielen. Eine Steuereinrichtung 12 wird genutzt, um die Zuschaltung der Wärmeströme und die Pumpenleistung zu steuern. Durch zusätzliche Kontrolle des Betriebsverhaltens des Energiewandlers 7, des schaltbaren pyroelektrischen Wandlers 2 und der Spannungsquelle 6, 28 kann der energetische Wirkungsgrad der Vorrichtung 1 erhöht werden.In the 3b represented and controlled conversion of thermal energy into electrical energy also allows a return of electrical energy in the in 4 illustrated energy conversion process. By using a common voltage source 6 . 28 Synergy effects can be achieved. A control device 12 is used to control the connection of the heat flows and the pump power. By additional control of the performance of the energy converter 7 , the switchable pyroelectric converter 2 and the voltage source 6 . 28 can the energy efficiency of the device 1 increase.

Dazu stellt die 5 eine zweite Anwendung eines über Spannung schaltbaren, eine Pyroelektrizität ausbildenden, isolierenden dielektrischen Kristallmaterials 2 in einem Detektor 29 zur Aufnahme von Strahlung 33 aus dem Infrarotbereich dar. Der Detektor 29 besteht aus einem thermisch isolierenden Gehäuse 30 oder enthält alternativ ein zusätzliches Detektionselement 31, welches nicht beleuchtet wird, sich zwischen dem Kristallmaterial 3 und dem Gehäuse 30 befindet und somit in Differenzschaltung äußere Störeinflüsse kompensiert. Zum Gehäuse 30 gehört ein infrarot transparentes Fenster 32, hinter dem sich das schaltbare pyroelektrische Kristallmaterial 3 befindet. Zugleich befindet sich das schaltbare pyroelektrische Kristallmaterial 3 auf dem Detektionselement 31. Die Kontaktierung des Kristallmaterials (z. B. ein isolierender dielektrischer Einkristall) 3 erfolgt wie in 1 dargestellt und dazu beschrieben. Die dem infrarotdurchlässigen Fenster 32 des Gehäuses 30 zugewandte Elektrode 4 ist dadurch charakterisiert, dass sie die infrarote Strahlung 33 stark absorbiert und eine direkte, mit dem pyroelektrischen Kristallmaterial 3 in Verbindung stehende Wärmequelle 33, die zur Realisierung des modifizierten Olsen-Zyklus dient, darstellt. Die Elektrode 5 auf der Rückseite des Kristallmaterials 3 fungiert als ohmscher Kontakt in Verbindung mit dem Detektionselement 31. Die Elektroden 4, 5 sind mit Durchführungen 34, 35 verbunden, die eine elektrische Kontaktierung bzw. einen elektrischen Anschluss außerhalb des Gehäuses 30 ermöglichen. Außerhalb des Gehäuses 30 befindet sich eine Spannungsquelle 6 zur Schaltung und Regelung der Pyroelektrizitätsspannung UPE des pyroelektrischen Kristallmaterials 3. Die Steuereinrichtung 12, die mit einer parallel zur Spannungsquelle 6 gesteuerten Signalverstärkungseinheit 36 in Verbindung steht, dient zur Abstimmung der Signalverstärkung der durch die gesteuerte/geregelte Pyroelektrizität erzeugten elektrischen Signale.This is what the 5 a second application of a voltage switchable pyroelectricity insulating dielectric crystal material 2 in a detector 29 for receiving radiation 33 from the infrared range. The detector 29 consists of a thermally insulating housing 30 or alternatively includes an additional detection element 31 which is not lit, between the crystal material 3 and the housing 30 is located and thus compensated in differential circuit external interference. To the housing 30 heard an infrared transparent window 32 behind which is the switchable pyroelectric crystal material 3 located. At the same time is the switchable pyroelectric crystal material 3 on the detection element 31 , The contacting of the crystal material (eg an insulating dielectric single crystal) 3 takes place as in 1 shown and described. The infrared-transparent window 32 of the housing 30 facing electrode 4 is characterized by being the infrared radiation 33 strongly absorbed and direct, with the pyroelectric crystal material 3 related heat source 33 , which serves to realize the modified Olsen cycle represents. The electrode 5 on the back of the crystal material 3 acts as an ohmic contact in conjunction with the detection element 31 , The electrodes 4 . 5 are with bushings 34 . 35 connected, the electrical contact or an electrical connection outside the housing 30 enable. Outside the case 30 there is a voltage source 6 for switching and controlling the pyroelectricity voltage UPE of the pyroelectric crystal material 3 , The control device 12 connected to a parallel to the voltage source 6 controlled signal amplification unit 36 is used to tune the signal gain of the electrical signals generated by the controlled pyroelectricity.

Die Erfindung soll beitragen zur Erzeugung und Schaltung von Pyroelektrizität in isolierenden dielektrischen Materialien 3, die aus Symmetriegründen bzgl. ihrer Atomanordnung in der Natur nicht pyroelektrisch vorkommen. Dies geschieht dadurch, dass gezielt durch atomares Design und Defekt-Steuerung bzw. Defekt-Regelung die vorzugsweise zentrosymmetrische Kristallsymmetrie lokal erniedrigt bzw. erhöht wird.The invention is intended to contribute to the generation and switching of pyroelectricity in insulating dielectric materials 3 which, for reasons of symmetry, do not appear pyroelectric with respect to their atomic arrangement in nature. This happens in that targeted by atomic design and defect control or defect control, the preferably centrosymmetric crystal symmetry is locally lowered or increased.

Die Modifizierung und Schaltung der ursprünglichen nicht pyroelektrischen Materialien 3 kann dabei auch mithilfe von externen elektrischen Feldern realisiert werden.The modification and switching of the original non-pyroelectric materials 3 can also be realized by means of external electric fields.

Infolgedessen kann eine breitere pyroelektrische Materialbasis mit einem großen Spektrum an thermischen, dielektrischen und optischen Eigenschaften für Energiewandler- und Sensoranwendungen bereitgestellt werden.As a result, a broader pyroelectric material base having a wide range of thermal, dielectric and optical properties can be provided for energy converter and sensor applications.

Durch den Einsatz der schaltbaren pyroelektrischen Materialien 3 in bereits bestehenden Anwendungen kann eine Erhöhung der Wirkungsgrade und Leistungskennzahlen erzielt werden.Through the use of switchable pyroelectric materials 3 In already existing applications, an increase in efficiencies and performance indicators can be achieved.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtungdevice
22
Schaltbarer pyroelektrischer WandlerSwitchable pyroelectric converter
33
Schaltbares pyroelektrisches Material/Pyroelektrisches KristallmaterialSwitchable pyroelectric material / pyroelectric crystal material
44
Erste ElektrodeFirst electrode
55
Zweite ElektrodeSecond electrode
66
Spannungsquellevoltage source
77
Verbrauchseinrichtungconsuming device
88th
WärmeübertragerHeat exchanger
99
Ventilanordnungvalve assembly
1010
Hochtemperiertes FluidHigh temperature fluid
1111
Niedrigtemperiertes FluidLow-temperature fluid
1212
Steuer-/RegeleinrichtungControl / regulating device
1313
Erste SteuerleitungFirst control line
1414
Zweite SteuerleitungSecond control line
1515
Dritte SteuerleitungThird control line
1616
Zuflussleitunginflow line
1717
Abflussleitungdrain line
1818
Zweiter KristallSecond crystal
1919
Dritter KristallThird crystal
2020
Stromkreiscircuit
2121
Parallelschaltungparallel connection
2222
Reihenschaltungseries connection
2323
Verbindungsleitungeninterconnectors
2424
modifizierter Olsen-Zyklus/Kreisprozessmodified Olsen cycle / cycle process
2525
konventioneller Olsen-Zyklusconventional Olsen cycle
2626
EinrichtungFacility
2727
Pumpepump
2828
SpannungsversorgungseinheitPower supply unit
2929
Strahlungsdetektorradiation detector
3030
Gehäusecasing
3131
Detektionselementdetection element
3232
Fensterwindow
3333
Infrarote StrahlungInfrared radiation
3434
Erstes DurchführungselementFirst implementation element
3535
Zweites DurchführungselementSecond implementation element
3636
SignalverstärkungseinheitSignal amplification unit
3737
Elektrolyse-EinrichtungElectrolyzer
3838
Einsatzstofffeedstock
3939
ProdukteProducts
4040
Elektrische LeitungElectrical line
4141
Elektrische LeitungElectrical line
4242
Elektrische LeitungElectrical line
4343
Metall-Isolator-Metall-StapelMetal-insulator-metal stack
4444
Fläche des konventionellen Olsen-ZyklusArea of the conventional Olsen cycle
4545
Zusatzfläche durch schaltbare PyroelektrizitätAdditional surface due to switchable pyroelectricity
4646
Fläche des modifizierten Kreisprozesses Area of the modified cycle process
UL U L
Niedrige Spannung/Minimale SpannungLow voltage / minimum voltage
UL* U L *
Mindestspannungminimum voltage
UH U H
Hohe Spannung/Maximale SpannungHigh voltage / maximum voltage
TH T H
Hohe Temperatur (High)High temperature (high)
TL T L
Niedrige Temperatur (Low)Low temperature
PEPE
Pyroelektrizitätpyroelectricity
UPE U PE
PyroelektrizitätsspannungPyroelektrizitätsspannung
OPE O PE
pyroelektrische Oberflächenladungpyroelectric surface charge
AA
Punkt eines Olsen-Zyklus/KreisprozessesPoint of an Olsen cycle / cycle process
BB
Punkt eines Olsen-Zyklus/KreisprozessesPoint of an Olsen cycle / cycle process
CC
Punkt eines Olsen-Zyklus/KreisprozessesPoint of an Olsen cycle / cycle process
DD
Punkt eines Olsen-Zyklus/KreisprozessesPoint of an Olsen cycle / cycle process
FF
Punkt eines modifizierten Olsen-Zyklus/KreisprozessesPoint of a modified Olsen cycle / cycle process

Claims (20)

Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie in einem Stromkreis (20) mit Spannungsquelle (6, 28) und Verbrauchseinrichtung (7), aufweisend folgende Schritte - Beschichten mindestens eines isolierenden dielektrischen Materials (3) mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur mit metallischen Elektroden (4, 5) zur Ausbildung mindestens eines Metall-Isolator-Metall-Stapels (43), wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel (43) zu dem Stromkreis (20) mit Spannungsquelle (6, 28) und Verbrauchseinrichtung (7) gehört, - Anlegen/Schalten einer Spannung UPE aus der Spannungsquelle (6, 28) zur Erniedrigung der Kristallsymmetrie durch Ausbildung eines Defektkonzentrationsgradienten im isolierenden dielektrischen Material (3), wobei das isolierende dielektrische Material (3) zu einem schaltbaren pyroelektrischen Material wird, und damit - Erzeugen von pyroelektrischen Phasen im isolierenden dielektrischen Material (3), die eine Polarisation im Material (3) erzeugen, - Ankoppeln von Wärmeströmen hoher Temperatur TH und Wärmeströmen niedriger Temperatur TL als eingebrachte thermische Energie im vorgegeben Wechsel mittels eines Wärmeübertragers (8) an die erzeugten pyroelektrischen Phasen, wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel (43), die Spannungsquelle (6, 28), die Verbrauchseinrichtung (7) und der thermisch ankoppelbare Wärmeübertrager (8) einen schaltbaren pyroelektrischen Wandler (2) bilden, und - Abgreifen eines elektrischen Stromes als elektrische Energie aus dem Stromkreis (20) nach dem wechselseitigen thermischen Ankoppeln der Wärmeströme als Folge einer Polarisationsänderung der vorher erzeugten pyroelektrischen Phasen, dadurch gekennzeichnet, dass als pyroelektrisches Material ein mit Defekten versehenes, isolierendes dielektrisches Material (3) mit einer zentrosymmetrischen Kristallsymmetrie und einer Defektkonzentration eingesetzt wird, an dem durch Spannungszuschaltung eine Pyroelektrizität aufgebaut wird und die über einen konventionellen Olsen-Zyklus für pyroelektrisches Material hinaus spannungsschaltbar ausgebildet wird, wobei zum Schalten der Spannungen der konventionelle Olsen-Zyklus genutzt wird, wobei der konventionelle Olsen-Zyklus folgende Schritte aufweist: • In einem ersten Schritt (A-B) wird ein elektrodenkontaktiertes pyroelektrisches Material des pyroelektrischen Wandlers (2) bei einer vorgegebenen hohen Spannung UH mittels eines Wärmeübertragers und eines den Wärmeübertrager durchströmenden hochtemperierten Fluids (10) solange aufgeheizt, bis die Polarisationskurve einer hohen Temperatur TH erreicht ist, • in einem zweiten Schritt (B-C) erfolgt eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über eine an das elektrodenkontaktierende pyroelektrische Material angelegte Spannungsquelle solange, bis eine vorgegebene niedrige Spannung UL erreicht ist, • in einem dritten Schritt (C-D) erfolgt mittels eines den Wärmeübertrager durchströmenden niedrigtemperierten Fluids (11) ein Abkühlungsschritt im Bereich der vorgegebenen niedrigen Spannung UL solange, bis die Polarisationskurve einer niedrigeren Temperatur TL erreicht ist, und • in einem den Kreisprozess schließenden Schritt (D-A) erfolgt eine isotherme Aufladung der Oberflächenladung OPE bis zur ursprünglich vorgegebenen hohen Spannung UH, wobei die Fläche (A-B-C-D-A) die verrichtete Arbeit und damit die elektrische Energie bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie darstellt, wobei in Weiterentwicklung des konventionellen Olsen-Zyklus zumindest folgende modifizierte Schritte durchgeführt werden: • der ursprüngliche zweite Schritt (B-C) wird durch eine Steuer-/Regeleinrichtung (12) derart zu einem spannungsdifferenzvergrößerten Schritt (B-F) modifiziert, wobei von der hohen Spannung UH aus die vorgegebene niedrige Spannung UL unterschreitend bis auf eine Mindestspannung UL* verringert geschaltet wird, wobei während des modifizierten zweiten Schrittes (B-F) schrittparallel eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über die angelegte Spannungsquelle (6, 28) solange durchgeführt wird, bis die Mindestspannung UL* im Punkt (F) erreicht wird, • der ursprüngliche dritte Schritt (C-D) wird derart zu einem Schritt (F-D) modifiziert, dass mittels des den Wärmeübertrager (8) durchströmenden niedrigtemperierten Fluids (11) während des modifizierten dritten Schrittes (F-D) ein Abkühlungsschritt aus dem Bereich der Mindestspannung UL* vom Punkt (F) aus solange erfolgt, bis die Polarisationskurve der ursprünglichen niedrigen Temperatur TL im Punkt (D) mit der Oberflächenladung OPE erreicht ist, wodurch mittels der Spannungsänderung von UH nach UL* bei erreichter Fläche (A-B-F-D-A) eine um die Fläche (B-F-D-C-B) erhöhte Arbeit und damit erhöhte elektrische Energie durch das schaltbare pyroelektrische Material (3) im schaltbaren pyroelektrischen Wandler (2) verrichtet wird.Method for converting thermal energy into electrical energy in a circuit (20) having a voltage source (6, 28) and consuming device (7), comprising the following steps: - coating at least one insulating dielectric material (3) having a crystalline and a defect concentration structure metallic electrodes (4, 5) for forming at least one metal-insulator-metal stack (43), the metal-insulator-metal stack (43) being connected to the circuit (20) with voltage source (6, 28) and consumer device ( 7), applying / switching a voltage UPE from the voltage source (6, 28) to lower the crystal symmetry by forming a defect concentration gradient in the insulating dielectric material (3), the insulating dielectric material (3) becoming a switchable pyroelectric material, and thus - generating pyroelectric phases in the insulating dielectric material (3) having a polarization in the Material (3), coupling high temperature heat flows T H and low temperature heat flows T L as introduced thermal energy in a predetermined change by means of a heat exchanger (8) to the generated pyroelectric phases, wherein the metal-insulator metal stack (43 ), the voltage source (6, 28), the consumption device (7) and the thermally coupled heat exchanger (8) form a switchable pyroelectric converter (2), and - tapping an electric current as electrical energy from the circuit (20) to the mutual thermal coupling of the heat flows as a result of a change in polarization of the previously generated pyroelectric phases, characterized in that the pyroelectric material is provided with a defect, insulating dielectric material (3) with a centrosymmetric Crystal symmetry and a defect concentration is used, is built on the by turn-on a pyroelectricity and is made voltage switchable over a conventional Olsen cycle for pyroelectric material, wherein the switching of the voltages of the conventional Olsen cycle is used, the conventional Olsen cycle comprises the following steps: In a first step (AB), an electrode-contacted pyroelectric material of the pyroelectric transducer (2) is heated at a predetermined high voltage U H by means of a heat exchanger and a high-temperature fluid (10) flowing through the heat exchanger until the polarization curve of a high temperature T H is reached, • in a second step (BC), an isothermal discharge of the surface charge OPE via a voltage applied to the electrode-contacting pyroelectric material voltage source until a predetermined low Voltage U L is reached, • in a third step (CD) by means of a low-temperature fluid (11) flowing through the heat exchanger, a cooling step in the range of the predetermined low voltage U L until the polarization curve of a lower temperature T L is reached, and in a step (DA) closing the cycle process, an isothermal charge of the surface charge OPE is made up to the originally predetermined high voltage U H , the area (ABCDA) representing the work done and thus the electrical energy in the conversion of thermal energy into electrical energy, wherein, as a further development of the conventional Olsen cycle, at least the following modified steps are carried out: the original second step (BC) is modified by a control device (12) in such a way to a voltage difference-enlarged step (BF), wherein the high voltage U H from the given low sp oltage U L is switched among border to a minimum voltage U L reduces *, where during the modified second step (BF) step parallel isothermal discharge the surface charge OPE on the applied voltage source (6, 28) is carried out until the minimum voltage U L * is reached in point (F), the original third step (CD) is modified to a step (FD) such that by means of the low-temperature fluid (11) flowing through the heat exchanger (8) during the modified third step (FD) a cooling step from the range of the minimum voltage U L * from the point (F) until the polarization curve of the original low temperature T L is reached in the point (D) with the surface charge OPE, whereby by means of the voltage change from U H to U L * at surface area (BFDCB) increased work and thus increased electrical energy through the switchable pyroe lektrische material (3) in the switchable pyroelectric transducer (2) is performed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im isolierenden diektrischen Material (3) bezogen auf Raumtemperatur (20°C) und normalem Druck die Defektkonzentration mittels einer Behandlung bei höherer Temperatur und/oder bei vermindertem Druck oder mittels Ionenbeschuss erhöht wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the defect concentration is increased by means of a treatment at a higher temperature and / or at reduced pressure or by means of ion bombardment in the insulating diektrischen material (3) based on room temperature (20 ° C) and normal pressure. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene hohe Spannung UH als maximale Spannung und die vorgegebene niedrige Spannung UL als minimale Spannung ausgebildet werden.Method according to Claim 1 , characterized in that the predetermined high voltage U H are formed as the maximum voltage and the predetermined low voltage U L as the minimum voltage. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass infolge der vorhandenen schaltbaren Pyroelektrizitätsspannung UPE die angelegte niedrige Spannung UL auf eine Mindestspannung UL* reduziert wird.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that due to the existing switchable pyroelectricity voltage UPE the applied low voltage U L is reduced to a minimum voltage U L * . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Regelung der an das isolierende dielektrische Material (3) angelegten Spannung aus der Spannungsquelle (6, 28) in dem pyroelektrischen Material (3) lokal eine stufenlose Einstellung der Polarisation resultierend aus der Kristallsymmetrie-Erniedrigung in Bezug auf die geladenen intrinsischen Defekte oder eingebrachten Defekte erfolgt und durch die Schaltung eine Umverteilung geladener intrinsischer Defekte oder eingebrachter Defekte erfolgt und dabei die Kristallsymmetrie erniedrigt wird, wodurch in dem isolierenden dielektrischen Material (3) spannungsbezogene pyroelektrische Phasen entstehen, die eine Polarisation im isolierenden dielektrischen Material (3) ausbilden und zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie genutzt werden.Method according to one of Claims 1 to 4 characterized in that by means of a regulation of the voltage applied to the insulating dielectric material (3) from the voltage source (6, 28) in the pyroelectric material (3) locally a stepless adjustment of the polarization resulting from the crystal symmetry reduction with respect to charged intrinsic defects or introduced defects and the circuit is a redistribution of charged intrinsic defects or introduced defects and thereby the crystal symmetry is lowered, whereby in the insulating dielectric material (3) voltage-related pyroelectric phases are formed, the one polarization in the insulating dielectric material (3 ) and used to convert thermal energy into electrical energy. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom des Fluids (10) mit hoher Temperatur TH abwechselnd mit dem Wärmestrom des Fluids (11) niedriger Temperatur TL mittels des Wärmeübertragers (8) und der zugeordneten Ventilanordnung (9) thermisch angekoppelt wird, wobei ein jeweiliger Ausflussstrom der Ventilanordnung (9) den Wärmeübertrager (8) durchfließt.Method according to Claim 1 Characterized in that the heat flow of the fluid (10) at a high temperature T H alternating with the heat flow of the fluid (11) low temperature T L by means of the heat exchanger (8) and the associated valve arrangement (9) is thermally coupled, wherein a respective Outflow of the valve assembly (9) flows through the heat exchanger (8). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie eine Rückführung elektrischer Energie in einen Energiewandlungsprozess ermöglicht.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the conversion of thermal energy into electrical energy allows a return of electrical energy in an energy conversion process. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als isolierendes dielektrisches Material (3) ein isolierender dielektrischer Einkristall eingesetzt wird und der isolierende dielektrische Einkristall (3) zur elektrischen Kontaktierung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung mit Dünnschichtelektroden (4, 5) belegt wird.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that as insulating Dielectric material (3) is an insulating dielectric single crystal is used and the insulating dielectric single crystal (3) for electrical contacting by means of physical vapor deposition with thin-film electrodes (4, 5) is occupied. Vorrichtung (1) zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, in der sich ein pyroelektrischer Wandler zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie nach dem konventionellen Olsen-Zyklus mit einer vorgegebenen hohen Spannung UH und einer vorgegebenen niedrigen Spannung UL der Pyroelektrizitätsspannung UPE befindet, zur Realisierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung (1) zumindest enthält - einen pyroelektrischen Wandler, der zumindest aus mindestens einem isolierenden dielektrischen Material (3) mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur besteht und der zu einem schaltbaren pyroelektrischen Wandler (2) zur Durchführung eines modifizierten Olsen-Zyklus ausgebildet ist, der zumindest aufweist - das isolierende dielektrische Material (3) mit kristalliner Struktur, das mit Elektroden (4, 5) kontaktiert ist, - eine Spannungsquelle (6), - eine zur Signalerfassung dienende Verbrauchseinrichtung (7), wobei das elektrodenkontaktierte Material (3), die Spannungsquelle (6) und die Verbrauchseinrichtung (7) miteinander zu einem Stromkreis (20) verschaltet sind, und - einen Wärmeübertrager (8), der mit dem elektrodenkontaktierten Material (3) wärmegekoppelt beabstandet in Verbindung steht, - eine außerhalb des schaltbaren pyroelektrischen Wandlers (2) befindliche Ventilanordnung (9) zur Steuerung des Zuflusses von hochtemperiertem Fluid (10) und von niedrigtemperiertem Fluid (11) in den Wärmeübertrager (8), sowie - eine Steuer-/Regeleinrichtung (12), die mit der Ventilanordnung (9), der Verbrauchseinrichtung (7) und der Spannungsquelle (6) in signaltechnischer Verbindung steht, wobei mit den Signalen der Steuer-/Regeleinrichtung (12) zumindest die Spannungsquelle (6) zur Einstellung der Pyroelektrizitätsspannung UPE am elektrodenkontaktierten pyroelektrischen Material (3) auf eine Mindestspannung UL*, die gemäß dem modifizierten Olsen-Zyklus geringer als die vorgegebene, zum konventionellen Olsen-Zyklus gehörende, niedrige Spannung UL mit UL* < UL ist, gesteuert wird.Device (1) for converting thermal energy into electrical energy, in which a pyroelectric converter for converting thermal energy into electrical energy after the conventional Olsen cycle with a predetermined high voltage U H and a predetermined low voltage U L of the pyroelectricity voltage U PE is to implement the method according to one of Claims 1 to 8th in which the device (1) contains at least - a pyroelectric transducer, which consists of at least one insulating dielectric material (3) with a crystalline structure and a defect concentration, and which leads to a switchable pyroelectric transducer (2) for carrying out a modified olsenic Cycle is formed, which comprises at least - the insulating dielectric material (3) having a crystalline structure, which is contacted with electrodes (4, 5), - a voltage source (6), - a signal detecting means serving for consumption (7), wherein the electrode-contacted Material (3), the voltage source (6) and the consumption device (7) are interconnected to a circuit (20), and - a heat exchanger (8), the heat-coupled with the electrode-contacted material (3) is in communication, a - outside the switchable pyroelectric converter (2) located valve assembly (9) for controlling the Inflow of high-temperature fluid (10) and low-temperature fluid (11) into the heat exchanger (8), and - a control device (12) connected to the valve assembly (9), the consumption device (7) and the voltage source (6 ) is in signaling connection, wherein with the signals of the control / regulating device (12) at least the voltage source (6) for adjusting the pyroelectricity voltage UPE at the electrode-contacted pyroelectric material (3) to a minimum voltage U L * according to the modified Olsen cycle is less than the predetermined, belonging to the conventional Olsen cycle, low voltage U L with U L * <U L is controlled. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im isolierenden dieektrischen Material (3) bezogen auf Raumtemperatur (20°C) und normalem Druck die Defektkonzentration mittels einer Behandlung bei höherer Temperatur und/oder bei vermindertem Druck oder mittels Ionenbeschuss erhöht ist.Device after Claim 9 , characterized in that in the insulating dielectric material (3) based on room temperature (20 ° C) and normal pressure, the defect concentration is increased by means of a treatment at a higher temperature and / or at reduced pressure or by ion bombardment. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als pyroelektrisches Material ein mit Defekten versehenes, isolierendes dielektrisches Material (3) mit einer vorzugsweise zentrosymmetrischen Kristallsymmetrie und einer Defektkonzentration eingesetzt ist, an dem durch Spannungszuschaltung eine Pyroelektrizität aufgebaut wird und die über den konventionellen Olsen-Zyklus für pyroelektrisches Material hinaus spannungsschaltbar ausgebildet ist.Device after Claim 9 or 10 , characterized in that as the pyroelectric material is provided with a defect, insulating dielectric material (3) having a preferably centrosymmetric crystal symmetry and a defect concentration is built on the by turn-on a pyroelectricity and beyond the conventional Olsen cycle for pyroelectric material addition is formed voltage switchable. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (12) zur signaltechnischen Verbindung mit der Ventilanordnung (9), der Verbrauchseinrichtung (7) und der Spannungsquelle (6) jeweils elektrische Steuerleitungen (13, 14, 15) aufweist.Device after Claim 9 , characterized in that the control / regulating device (12) for signaling connection with the valve assembly (9), the consumption device (7) and the voltage source (6) each have electrical control lines (13, 14, 15). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende dielektrische Material (3) ein isolierender dielektrischer Einkristall ist und zur elektrischen Kontaktierung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung mit Dünnschichtelektroden (4, 5) belegt ist.Device according to one of Claims 9 to 12 , characterized in that the insulating dielectric material (3) is an insulating dielectric single crystal and is covered with thin-film electrodes (4, 5) for electrical contacting by means of physical vapor deposition. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Elektrode (4), das pyroelektrische Material (3) als dielektrischer Isolator und die metallische Elektrode (5) einen Metall-Isolator-Metall-Stapel (43) bilden.Device after Claim 9 , characterized in that the metallic electrode (4), the pyroelectric material (3) as a dielectric insulator and the metallic electrode (5) form a metal-insulator-metal stack (43). Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (3) mit der Ventilanordnung (9) über eine Zuflussleitung (16) für den abwechselnden Durchfluss der Fluide (10, 11) durch den Wärmeübertrager (3) hindurch verbunden ist und eine Abflussleitung (17) für die Fluide (10, 11) aufweist.Device after Claim 9 , characterized in that the heat exchanger (3) with the valve assembly (9) via an inlet line (16) for the alternate flow of the fluids (10, 11) through the heat exchanger (3) is connected through and a drain line (17) for the Fluids (10, 11). Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare pyroelektrische Wandler (2) mit einer parallelen Verschaltung mehrerer pyroelektrischer Materialien (3, 18, 19) zu dem Stromkreis (20) ausgebildet ist, wobei sich die auftretenden pyroelektrischen Ströme addieren.Device after Claim 9 , characterized in that the switchable pyroelectric transducer (2) with a parallel connection of a plurality of pyroelectric materials (3, 18, 19) to the circuit (20) is formed, wherein the occurring pyroelectric currents add. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare pyroelektrische Wandler (2) mit einer Reihenschaltung (22) aus Spannungsquelle (6) und mehreren pyroelektrischen Materialelementen (3, 18, 19) ausgebildet ist, wobei durch die Reihenschaltung (22) eine Aufteilung der aus der Steuer-/Regeleinrichtung (12) angelegten Spannung möglich ist, um unterschiedliche Spannungen an den einzelnen pyroelektrischen Materialelementen (3, 18, 19) anzulegen, wobei sich die auftretenden pyroelektrischen Spannungen addieren.Device after Claim 9 , characterized in that the switchable pyroelectric converter (2) with a series circuit (22) of voltage source (6) and a plurality of pyroelectric material elements (3, 18, 19) is formed, wherein by the series circuit (22) a distribution of the control - / regulating device (12) applied voltage is possible to apply different voltages to the individual pyroelectric material elements (3, 18, 19), wherein the occurring pyroelectric voltages add up. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare pyroelektrische Wandler (2) in Verbindung mit einer Spannungsversorgungseinheit (28) für einen Energiewandler (37) als Abwärmequelle einsetzbar ist, wobei dem schaltbaren pyroelektrischen Wandler (2) mittels einer Pumpe (27) abwechselnd gesteuert über die Steuer-/Regeleinrichtung (12) das Fluid (10) mit hoher Temperatur TH und das Fluid (11) mit niedriger Temperatur TK mittels der Ventilanordnung (9) zugeführt wird.Device after Claim 9 , characterized in that the switchable pyroelectric Converter (2) in connection with a power supply unit (28) for an energy converter (37) is used as a waste heat source, wherein the switchable pyroelectric converter (2) by means of a pump (27) alternately controlled by the control / regulating device (12) the fluid (10) high temperature T H and the low temperature fluid (11) T K is supplied by means of the valve assembly (9). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare pyroelektrische Wandler (2) in einem Detektor (29) zur Aufnahme von Strahlung (33) aus dem Infrarotbereich enthalten ist, wobei der Detektor (29) aus einem thermisch isolierenden Gehäuse (30) besteht oder alternativ ein zusätzliches Detektionselement (31) enthält, welches sich zwischen dem pyroelektrischen Material (3) und dem Gehäuse (30) befindet und somit in Differenzschaltung äußere Störeinflüsse kompensiert.Device according to one of Claims 9 to 18 , characterized in that the switchable pyroelectric transducer (2) is contained in a detector (29) for receiving radiation (33) from the infrared region, wherein the detector (29) consists of a thermally insulating housing (30) or alternatively an additional one Detection element (31), which is located between the pyroelectric material (3) and the housing (30) and thus compensated in differential circuit external interference. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) ein infrarot transparentes Fenster (32), hinter dem sich das schaltbare pyroelektrische Material (3) befindet, aufweist, wobei die Elektroden (4, 5) mit Durchführungen (34, 35) verbunden sind, die eine elektrische Kontaktierung bzw. einen elektrischen Anschluss außerhalb des Gehäuses (30) ermöglichen, wobei sich außerhalb des Gehäuses (30) eine Spannungsquelle (6) zur Schaltung und Regelung der Pyroelektrizitätsspannung UPE des pyroelektrischen Materials (3) befindet und wobei die Steuer-/Regeleinrichtung (12), die mit einer parallel zur Spannungsquelle (6) gesteuerten Signalverstärkungseinheit (36) in Verbindung steht, zur Abstimmung der Signalverstärkung der durch die gesteuerte/geregelte Pyroelektrizitätsspannung UPE erzeugten elektrischen Signale dient.Device after Claim 19 characterized in that the housing (30) comprises an infrared transparent window (32), behind which is the switchable pyroelectric material (3), the electrodes (4, 5) being connected to bushings (34, 35), which allow an electrical contact or an electrical connection outside the housing (30), wherein outside the housing (30) is a voltage source (6) for switching and controlling the pyroelectricity voltage UPE of the pyroelectric material (3) and wherein the control / Control device (12) which is connected to a parallel to the voltage source (6) controlled signal amplification unit (36), for tuning the signal amplification of the electrical signals generated by the controlled / regulated pyroelectricity UPE.
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OLSEN, Randall B. ; BRUNO, David A. ; BRISCOE, J. Merv: Pyroelectric conversion cycles. In: Journal of Applied Physics, Vol. 58, 1985, No. 12, S. 4709-4716. - ISSN 0021-8979 *

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