DE102014010885B4 - Method and device for converting thermal energy into electrical energy - Google Patents
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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
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
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
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
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
Der in der Druckschrift
- • 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 TemperaturTH 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 TemperaturTL 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 ,
- 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 temperatureT 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 temperatureT 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 .
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 TemperaturTL 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 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 flowsT 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
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 TemperaturTH 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 TemperaturTL 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 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 SpannungUL unterschreitend bis auf eine MindestspannungUL* 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 MindestspannungUL* 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 TemperaturTL im Punkt (D) der Oberflächenladung OPE erreicht ist,
- 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 temperatureT 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 temperatureT 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 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 voltageU L below a minimum voltageU 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 voltageU 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 temperatureT L reached in point (D) of the surface charge OPE,
Die vorgegebene hohe Spannung
Infolge der vorhandenen schaltbaren Pyroelektrizitätsspannung UPE kann die angelegte niedrige Spannung
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
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
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 SpannungUL mitUL* <UL ist, gesteuert wird.
wherein according to the characterizing part of
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 cycleU L WithU 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
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 in1 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).
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 in1 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
- -
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 , wobeidas elektrodenkontaktierte Material 3 , dieSpannungsquelle 6 und die Verbrauchseinrichtung7 miteinander zu einem Stromkreis20 verschaltet sind, und - -
einen Wärmeübertrager 8 , der mitdem elektrodenkontaktierte Material 3 beabstandet in Verbindung steht,
- - das
- - eine außerhalb des schaltbaren pyroelektrischen Wandlers
2 befindliche Ventilanordnung 9 zur Steuerung des Zuflussesvon hochtemperiertem Fluid 10 undvon niedrigtemperiertem Fluid 11 inden Wärmeübertrager 8 , sowie - - eine Steuer-
/Regeleinrichtung 12 , diemit der Ventilanordnung 9 , der Verbrauchseinrichtung7 und der Spannungsquelle6 in signaltechnischer Verbindung steht, wobei mit den Signalen der Steuer-/Regeleinrichtung 12 zumindest dieSpannungsquelle 6 zur Einstellung der Pyroelektrizitätsspannung UPE amelektrodenkontaktierten pyroelektrischen Material 3 auf eine in einem modifizierten Olsen-Zyklus gemäß3b eingestellte MindestspannungUL* , die geringer als die vorgegebene, zum konventionellen Olsen-Zyklus gehörende niedrige SpannungUL mit UL* < UL ist, gesteuert wird.
- 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 thematerial 3 with electrodes4 .5 is contacted, - - a
voltage source 6 . - - A serving for signal acquisition consumer device
7 wherein the electrode-contactedmaterial 3 , thevoltage source 6 and the consumer device7 together to form acircuit 20 are interconnected, and - - a heat exchanger
8th that with the electrode-contactedmaterial 3 spaced communicates,
- - The insulating
- - One outside the switchable
pyroelectric converter 2 locatedvalve assembly 9 for controlling the inflow of high-temperature fluid 10 and low-temperature fluid 11 in the heat exchanger8th , such as - - a control / regulating
device 12 connected to thevalve assembly 9 , the consumer device7 and thevoltage source 6 is in signal communication, with the signals of the control / regulatingdevice 12 at least thevoltage source 6 for adjusting the pyroelectricity voltage UPE at the electrode-contactedpyroelectric material 3 to one in a modified Olsen cycle according to3b set minimum voltageU L * which is lower than the predetermined low voltage associated with the conventional Olsen cycleU L with U L * <U L is controlled.
Im isolierenden dieektrischen Material
Die Steuer-/Regeleinrichtung
Die metallische Elektrode
Dabei wird als pyroelektrisches Material ein mit Defekten versehenes, isolierendes dielektrisches Material
Das isolierende dielektrische Material
Der Wärmeübertrager
Das Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie in einem Stromkreis
- - Beschichten mindestens eines isolierenden dielektrischen
Materials 3 mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Strukturmit 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 Verbrauchseinrichtung7 gehört, - - Anlegen/Schalten einer Spannung UPE aus der
Spannungsquelle 6 ,28 zur Erniedrigung der Kristallsymmetrie durch Ausbildung eines Defektkonzentrationsgradienten im isolierenden dielektrischenMaterial 3 , wobei dasisolierende dielektrische Material 3 zu einem schaltbaren pyroelektrischen Material wird, und damit - - Erzeugen von pyroelektrischen Phasen im isolierenden dielektrischen
Material 3 , die einePolarisation im Material 3 erzeugen, - - Ankoppeln von Wärmeströmen hoher Temperatur
TH und Wärmeströmen niedriger TemperaturTL als eingebrachte thermische Energie im vorgegeben Wechsel mittels eines Wärmeübertragers8 an die erzeugten pyroelektrischen Phasen, wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel 43 , dieSpannungsquelle 6 ,28 , die Verbrauchseinrichtung7 und der thermisch ankoppelbare Wärmeübertrager8 einen schaltbaren pyroelektrischenWandler 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.
- Coating at least one insulating
dielectric material 3 having a crystalline and a defect concentration structure with metallic electrodes4 .5 for forming at least one metal-insulator-metal stack 43 where the metal-insulator-metal stack 43 to thecircuit 20 withvoltage source 6 .28 and consumption device7 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 insulatingdielectric material 3 wherein the insulatingdielectric material 3 becomes a switchable pyroelectric material, and thus - - Creating pyroelectric phases in the insulating
dielectric material 3 that has a polarization in thematerial 3 produce, - - Coupling of high temperature heat flows
T H and low temperature heat flowsT L as introduced thermal energy in the predetermined change by means of a heat exchanger8th to the generated pyroelectric phases, the metal-insulator-metal stack 43 , thevoltage source 6 .28 , the consumer device7 and the thermally coupled heat exchanger8th a switchablepyroelectric 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
Als pyroelektrisches Material kann ein mit Defekten versehenes, isolierendes dielektrisches Material
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 SpannungUH mittels eines Wärmeübertragers und eines den Wärmeübertrager durchströmenden hochtemperiertenFluids 10 solange aufgeheizt, bis die Polarisationskurve einer hohen TemperaturTH 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 SpannungUL solange, bis die Polarisationskurve einer niedrigeren TemperaturTL 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 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 SpannungUH aus die vorgegebene niedrige SpannungUL unterschreitend bis auf eine MindestspannungUL* verringert geschaltet wird, wobei während des modifizierten zweiten Schrittes (B-F) schrittparallel eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über dieangelegte Spannungsquelle 6 ,28 solange durchgeführt wird, bis die MindestspannungUL* 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 niedrigtemperiertenFluids 11 während des modifizierten dritten Schrittes (F-D) ein Abkühlungsschritt aus dem Bereich der MindestspannungUL* vom Punkt F aus solange erfolgt, bis die Polarisationskurve der ursprünglichen niedrigen TemperaturTL im PunktD mit der Oberflächenladung OPE erreicht ist,
- In a first step (AB) becomes an electrode-contacted pyroelectric material of the
pyroelectric transducer 2 at a given high voltageU 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 temperatureT 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 voltageU L until the polarization curve of a lower temperatureT 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, 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 voltageU H from the given low voltageU L below a minimum voltageU L * is reduced, wherein during the modified second step (BF) stepwise parallel an isothermal discharge of the surface charge OPE on the appliedvoltage source 6 .28 as long as is carried out until the minimum voltageU 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 voltageU L * from point F until the polarization curve is at the original low temperatureT L at the pointD reached with the surface charge OPE,
Die vorgegebene hohe Spannung
Infolge der vorhandenen schaltbaren Pyroelektrizitätsspannung UPE kann die angelegte niedrige Spannung
Mittels einer Regelung der an das isolierende dielektrische Material
Der Wärmestrom des Fluids
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
Das Verfahren verläuft folgendermaßen: The procedure is as follows:
Ein isolierendes dielektrisches Material
Der Metall(4)-Isolator(3)-Metall(5)-Stapel 43 ist Bestandteil eines mittels elektrischer Leitungen ausgebildeten Stromkreises
Ein Wärmestrom des Fluids
Der Zusammenbau aus Stromkreis
The assembly of
Die
Weiterhin ist in
In der
- • Im ersten Schritt (A-B) wird das elektrodenkontaktierte schaltbare pyroelektrische Kristallmaterial
3 bei einer hohen SpannungUH mittels desWärmeübertragers 8 und desden Wärmeübertrager 8 durchströmenden hochtemperiertem Fluids 10 solange aufgeheizt, bis die Polarisationskurve einer hohen TemperaturTH im PunktB erreicht ist. - • Im zweiten Schritt (B-C) wird durch die Steuer-
/Regeleinrichtung 12 gesteuert die niedrige SpannungUL bis auf die MindestspannungUL* verringert. - • Während des zweiten Schrittes (B-C) erfolgt zeitparallel eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über die
angelegte Spannungsquelle 6 solange, bis die MindestspannungUL* erreicht ist. - • Im dritten Schritt (C-D) erfolgt mittels des
den Wärmeübertrager 8 durchströmenden niedrigtemperiertenFluids 11 ein Abkühlungsschritt im Bereich der MindestspannungUL* solange, bis die Polarisationskurve der ursprünglichen niedrigen TemperaturTL im PunktF erreicht ist. - • In
einem den Kreisprozess 24 schließenden vierten Schritt (D-A) erfolgt eine isotherme Aufladung der Oberflächenladung OPE von der MindestspannungUL* aus bis zur maximalen SpannungUH .
- In the first step (AB) becomes the electrode-contacted switchable
pyroelectric crystal material 3 at a high voltageU H by means of the heat exchanger8th and of the heat exchanger8th flowing through high-temperature fluid 10 heated up until the polarization curve of a high temperatureT H at the pointB is reached. - • In the second step (BC) is by the
control 12 controls the low voltageU L to the minimum voltageU 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 voltageU L * is reached. - • In the third step (CD) takes place by means of the heat exchanger
8th flowing low-temperature fluid11 a cooling step in the range of the minimum voltageU L * until the polarization curve of the original low temperatureT L at the pointF 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 voltageU L * off to the maximum voltageU H ,
Mittels der stufenlos einstellbaren Spannung von
Damit ist das gesetzte Ziel erreicht, dass die in
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
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
Zusammenfassend kann, wie in
In der
Die in
Dazu stellt die
Die Erfindung soll beitragen zur Erzeugung und Schaltung von Pyroelektrizität in isolierenden dielektrischen Materialien
Die Modifizierung und Schaltung der ursprünglichen nicht pyroelektrischen Materialien
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
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)
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---|---|---|---|
DE102014010885.6A DE102014010885B4 (en) | 2014-07-18 | 2014-07-18 | Method and device for converting thermal energy into electrical energy |
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DE102014010885.6A DE102014010885B4 (en) | 2014-07-18 | 2014-07-18 | Method and device for converting thermal energy into electrical energy |
Publications (2)
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DE102014010885A1 DE102014010885A1 (en) | 2016-01-21 |
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Country Status (1)
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WO2009083181A1 (en) | 2007-12-21 | 2009-07-09 | Pyreos Ltd. | Device for the detection of heat radiation having a pyroelectric detector array, method for the production thereof, and use of the device |
DE102013014270A1 (en) * | 2013-08-23 | 2015-03-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Apparatus and method for energy conversion of thermal energy into electrical energy |
-
2014
- 2014-07-18 DE DE102014010885.6A patent/DE102014010885B4/en not_active Expired - Fee Related
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Druckschrift MOHAMMADI, Saber; KHODAYARI, Akram: Pyroelectric Energy Harvesting with Thermodynamic-Based Cycles. In: Smart Materials Research, Vol. 2012, Article ID 160956, S.1-5 |
MOHAMMADI, Saber ; KHODAYARI, Akram : Pyroelectric Energy Harvesting with Thermodynamic-Based Cycles. In: Smart Materials Research, Vol. 2012, Article ID 160956, S. 1-5. - ISSN 2090-3561 * |
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 |
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 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102014010885A1 (en) | 2016-01-21 |
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Owner name: TECHNISCHE UNIVERSITAET BERGAKADEMIE FREIBERG, DE Free format text: FORMER OWNERS: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V., 80686 MUENCHEN, DE; TECHNISCHE UNIVERSITAET BERGAKADEMIE FREIBERG, 09599 FREIBERG, DE |
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