DE102015006809A1

DE102015006809A1 - Stromerzeuger mit Lumineszenzkollektor

Info

Publication number: DE102015006809A1
Application number: DE102015006809.1A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RHP GmbH
Current assignee: RHP GmbH
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromerzeuger für Gebäude und Fahrzeuge, welcher einen höheren Wirkungsgrad als heutige Anlagen aufweist. Die Wärmestrahlung einer Brennkammer wird durch einen sie umgebenden Lumineszenzkollektor auf Photovoltaikzellen geleitet und in elektrischen Strom umgewandelt. Die nicht in elektrischen Strom umgesetzte Wärme wird dem Frischgas der Brennkammer zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromerzeuger mit Lumineszenzkollektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Heutige Stromerzeuger bestehen oft aus einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einem Generator gekoppelt ist. Dabei werden in aller Regel weniger als 50% der eingesetzten Primärenergie dem Generator als mechanische Energie zur Verfügung gestellt. Der Rest wird häufig als Wärmeenergie ungenutzt in die Umgebung abgegeben. Das Ziel ist es somit einen Stromerzeuger mit möglichst hohem Gesamtwirkungsgrad zu erfinden, welcher als Hausstromversorgung, als Reichweitenverlängerer/Stromerzeuger in Kraftfahrzeugen, Booten, Flugzeugen oder als mobiler Stromerzeuger eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird durch einen Stromerzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es wird hier ein Stromerzeuger vorgeschlagen, welcher aus mindestens einer Brennkammer 1 und einem Brenner 2, ein oder mehreren Lumineszenzkollektoren 3 und aus Photovoltaikzellen 4 oder Photovoltaischen Schichten 4 besteht. Der Brenner ist vorzugsweise ein Hochtemperaturbrenner, welcher mit gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen, synthetisch hergestellten Kohlenwasserstoffen, mit Wasserstoff, mit Kohlenstoff oder Kohlenmonoxid betrieben wird. Ein Brennstoff oder ein Gemisch aus diesen Brennstoffen wird im Brenner mit Luft, sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff gemischt, beim Start gezündet und strömt dann kontinuierlich als heißes Brenngas 19 in die Brennkammer. Anzustreben sind Temperaturen von über 1800°C in der Brennkammer. Dementsprechend hohe Flammtemperaturen muss der Brenner liefern. Der Betrieb mit Sauerstoff anstatt mit Luft hat den Vorteil, dass keine Stickoxide entstehen. Der Brenner könnte aber auch mit Graphitpulver und Sauerstoff/Luft betrieben werden. Die Konstruktion des Brenners ist nicht Bestandteil dieser Patentanmeldung.
Die Brennkammer 1 ist von mindestens einem Lumineszenzkollektor 3 umgeben (1). Der Lumineszenzkollektor 3 besteht aus transparenten Polymeren, Borosilikatglas, Glas (z. B. Fluorid-Phosphatglas), Glaskeramik, Transparent-Keramik, Quarzglas, CVD-Zinksulfid, Multispectral grade Zinksulfid, Chalkogenid Glas, Sub-μm-Sinterkorund, Nanokeramik, AMTIR, Saphir, CaF₂, BaF₂, MgF₂, Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, Ga₂O₃, Sc₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃, Lu₂O₃, Y₃Al₅O₁₂, Gd₃Al₅O₁₂, Lu₃Al₅O₁₂, YVO₄, GdVO₄, LuVO₄, CaSiO₄, SrSiO₄, BaSiO₄, SiO₂, CsI, CsCI, CsBr, KI, KCI, Kbr, AgCI, AgBr, As₂S₃, MgF₂, MnF₂, CdF₂, CaF₂, PbF₂, CdS, CdTe, SrF₂, TiO₂, MgO, NaF, NaBr, NaCI, NaI, TICI, TIBr, GaAs, Se, Si, LiF, LaF₃, BaF₂, KRS-5, KRS-6, ZnTe, InAs, LiNbO₃, Y₂O₃ oder aus verschiedenen dieser Materialien, wobei diese dann vorzugsweise in Form von Lagen flächig übereinander angeordnet sind. Das Wirtsmaterial des Lumineszenzkollektors 3 besteht aus einem Material oder aus mehreren der eben aufgelisteten Materialien.
In diese Materialien ist lumineszentes Material eingebettet oder als Schicht, vorzugsweise als Sol-Gel-Schicht, auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht. Einige Lumineszenzkollektoren sind in DE3305853 , DE2737847 , DE 10 2006 062 448 , WO2009095310 und WO2010043414 beschrieben. Das lumineszente Material besteht vorzugsweise aus Fluoreszenzfarbstoffen (z. B. aus organischen Leuchtstoffen) oder aus Fluoreszenzstoffen, vorzugsweise aus Seltenen-Erden-Metall-Ionen (Pr³⁺, Nd³⁺, Eu³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm³⁺, Yb³⁺, Sc³⁺, Y³⁺, Sm³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Gd³⁺, Pm³⁺, Ce³⁺, La³⁺, Lu³⁺, Gd³⁺) und Metall-Ionen (Chrom, Zinn, Zink, Kupfer, Eisen, Titan, Mangan, Vanadium, Nickel, Kobalt, Aluminium, Gold, Silber, Platin, ) oder metallischen Nanokristallen. Für den Fall, dass der Kollektor nur mit Fluoreszenz und nicht mit Phosphoreszenz arbeitet, spricht man auch vom Fluoreszenzkollektor. Das lumineszente Material kann auch in Zeolithe oder photonische Kristalle eingebettet und als dünne Schicht auf den Kollektor aufgebracht oder in den Kollektor eingearbeitet sein. Bei einer bevorzugten Variante wird ein transparentes Material, vorzugsweise eine sub-μm-Transparentkeramik, mit den Seltenen-Erden-Metall-Ionen und Metall-Ionen dotiert, wobei mehrere verschiedene Seltene-Erden-Ionen und Metall-Ionen eingesetzt werden. Diese können immer nur eine gewisse Bandbreite an elektromagnetischer Strahlung absorbieren und in einem anderen Wellenlängenbereich wieder abgeben. Um ein möglichst breites Spektrum aufnehmen zu können, werden verschiedene Seltene-Erden-Ionen und Metallionen als Nanopartikel eingesetzt, die unterschiedliche aufeinander abgestimmte Absorptionsspektren aufweisen. Eine Lage des Lumineszenzkollektors kann mit verschiedenen Dotierungen versehen sein. Damit der von einem Fluoreszenzstoff emittierte Wellenlängenbereich nicht vom nächsten Fluoreszenzstoff wieder absorbiert wird, wird vorzugsweise ein transparentes Material mit einem Fluoreszenzstoff dotiert und ein weiteres transparentes Material, mit einem anderen Fluoreszenzstoff, der ein dem ersten Fluoreszenzstoff angrenzendes Absorptionsband besitzt und die beiden Schichten/Lagen werden dann übereinander angeordnet. Der Vorgang kann mit weiteren Schichten/Lagen fortgesetzt werden, somit entsteht ein breitbandiger Lumineszenzkollektor. Für den eben beschriebenen Fall, dass der Lumineszenzkollektor aus mehreren Lagen besteht und die einzelnen Lagen unterschiedlich dotiert sind, werden die Lagen mit einem Abstand zwischen den Lagen (etwa 0,2–2 mm) angeordnet, damit die im ersten Kollektor absorbierte und transformierte Strahlung durch Totalreflexion zu den Rändern geleitet wird und nicht in die nächste Lage übertritt oder auskoppelt. Diese Trennung wird durch Abstandshalter (verspiegelt oder mit niedrigerem Brechungsindex als die zu trennenden Lagen) und den dadurch entstehenden Spalt realisiert. Das Gas oder das Vakuum im Spalt hat eine geringere optische Dichte als die zu trennenden Lagen, daher kommt es an den Grenzflächen zur Totalreflexion der Strahlen, die im richtigen Winkel auftreffen. Alternativ zu einem Spalt zwischen den Lagen ist zwischen den beiden Lagen flächig eine dünne transparente Trennschicht angeordnet, deren Brechungsindex niedriger liegt, als der Brechungsindex der zu trennenden Lagen.
Brennkammer 1 und Lumineszenzkollektor 3 berühren sich im Wesentlichen nicht. Der Raum 5, in dem sich beide befinden, ist mit Edelgas, einem Edelgasgemisch, einem Elementgas, Aerogel oder einem Frischgas 8 gefüllt oder dort herrscht ein Vakuum. Die von der Brennkammer abgestrahlte elektromagnetische Strahlung gelangt in den Lumineszenzkollektor 3.
Nachdem der Lumineszenzkollektor oder die Lumineszenzkollektoren 3 die von der Brennkammer 1 emittierte Strahlungsenergie wenigstens teilweise aufgenommen hat/haben, wird der transformierte Wellenlängenbereich durch Totalreflexion zu den Seitenrändern geleitet. Die Totalreflexion entsteht, weil das den Lumineszenzkollektor 3 umgebende Vakuum/Edelgas/Elementgas/Aerogel/Frischgas eine geringere optische Dichte aufweist als das Material des Lumineszenzkollektors 3 und weil die Oberflächen des Kollektors zueinander parallel verlaufen, bei mehrlagigen Kollektoren zusätzlich dadurch, weil die transparente Trennschicht zwischen den einzelnen Lagen des Kollektors eine geringere optische Dichte aufweist als das Material in den Lagen. Die Seitenränder des Lumineszenzkollektors sind an den Stellen, an denen keine Strahlung austreten soll, metallisch verspiegelt und an den Stellen, an denen die Strahlung austreten soll, nicht verspiegelt. An diesen unverspiegelten Flächen sind Photovoltaikzellen 4 oder Photovoltaische Schichten 4 angeordnet. Diese generieren aus der von der Brennkammer abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung elektrische Energie, welche über an den Photovoltaikzellen 4 oder Photovoltaischen Schichten 4 angeschlossene Kabel abgeführt wird. Diese Photovoltaikzellen/Solarzellen sind ähnlich den PV-Zellen, die im solaren Bereich als Konzentratorzellen eingesetzt werden.
Allerdings sind sie hier für den Einsatz bei höheren Temperaturen ausgelegt. Es werden vorzugsweise Dreifach- oder Vierfachsolarzellen eingesetzt, die ein breites Frequenzspektrum elektromagnetischer Strahlung in elektrischen Strom umwandeln können. In einer Variante werden mehr als zwei Lumineszenzkollektoren 3, die jeweils aus mehreren Lagen bestehen können, übereinander positioniert. Die photoaktiven Schichten der PV-Zellen arbeiten stets nur in einem begrenzten Frequenzbereich, daher wird in einer Ausführungsvariante das abgestrahlte Spektrum aufgeteilt. Es werden unterschiedliche PV-Zellen eingesetzt, die dem Emissionsspektrum des zugehörigen Lumineszenzkollektors angepasst sind. Durch die Anordnung der Lumineszenzkollektoren übereinander entsteht ein breitbandiger Kollektor. Die Lumineszenzkollektoren 3 können gekrümmte Flächen aufweisen (2). Allerdings dürfen die Krümmungen einen bestimmten Radius nicht unterschreiten, damit die Totalreflexion an den Grenzflächen nicht beeinträchtigt wird.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Außenfläche der Brennkammer 1 mit einer Schicht versehen ist, die eine Hochkonversion (Up-Conversion) der elektromagnetischen Strahlung bewirkt und/oder dass diese Schicht die Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung zurück in die Brennkammer reflektiert, die sonst im Wirtsmaterial des Lumineszenzkollektors 3 absorbiert würden. Bei einer Hochkonversion werden zwei oder mehrere niederenergetische Lichtquanten in ein höherenergetisches Photon umgewandelt. Auch der Einsatz von Schichten auf der Außenfläche der Brennkammer 1, die eine Abwärtskonversion (Down-Conversion) bewirken ist möglich, beispielsweise um im Strahlungsgang nachfolgende Gläser gegen UV-Strahlung zu schützen.
Die Strahlungseintrittsfläche des Lumineszenzkollektors 3 wird mit einer selektiven Schicht oder einem Filter, vorzugsweise einem Interferenzfilter, versehen, die/der im Wesentlichen die Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung reflektiert, die sonst im Wirtsmaterial des Lumineszenzkollektors 3 absorbiert würden. Es kann auch eine Antireflexschicht auf der Strahlungseintrittsfläche aufgebracht werden. Oder es wird dort eine Schicht aus dreidimensionalen photonischen Kristallen oder Lichtfallen aus Nanodrähten/Nanokugeln angeordnet.
Die Photovoltaikzellen oder die photovoltaischen Schichten 4 sind von einem Kühlkanal 6 umgeben, welcher von einem vorzugsweise gasförmigen Kühlmedium 7 oder von Frischgas 8 durchströmt wird.
Die den Raum 5 begrenzende Wand, also seine Außenwand und die Außenwand eines Hochtemperaturwärmetauschers 9 sind jeweils von innen mit einer keramischen Reflexionsschicht (beispielsweise aus Al₂O₃) oder einer hochreflektierenden metallischen Oberfläche und/oder Isoliermaterial 17 versehen. Die hochreflektierenden metallischen Oberflächen bestehen aus Metallen mit sehr glatter Oberfläche und sind mit dielektrischen Schichten überzogen. Die Flächen können auch mit einem mehrlagigen CPC-Array versehen sein, welches mit einer dielektrischen Schicht überzogen/gefüllt ist und dessen untere CPC-Lage verspiegelt ist. Solche CPC-Arrays sind in EP0810409 beschrieben.
Die Außenwand des Raumes 5 ist von Vakuum, Aerogel oder einem anderen temperaturbeständigen Isoliermaterial umgeben. Eine Vakuumpumpe ist über Schläuche/Kanäle mit dem Vakuum in dem Raum 5, mit dem Vakuum das den Raum 5 umgibt und/oder mit dem Vakuum um den Hochtemperaturwärmetauscher 9 verbunden, hält das Vakuum aufrecht und gleicht somit kleine Undichtigkeiten aus.
Die Brennkammer 1 ist mit Emissionsflächen 10 versehen, die wenigstens teilweise aus einem Material mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen oder damit beschichtet sind, vorzugsweise mit Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren (2). Man kann sich die Emissionsflächen wie verlängerte Kühlrippen vorstellen, die beidseitig von einem Lumineszenzkollektor 3 umgeben sind. Zur besseren Wärmeübertragung von einem Brenngas 19 in die Brennkammerwand können an der Innenseite der Brennkammerwand ebenfalls Rippen 20 angebracht werden oder der Innenraum der Brennkammer wird mit einer wabenförmigen oder wellenförmigen dünnwandigen Struktur gefüllt, wie bei Abgaskatalysatoren, wobei die Struktur mit der Außenwand direkt in Verbindung steht.
Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die Brennkammer 1 aus einer Vakuumröhre besteht. Die Brennkammer kann als eine transparente Vakuumröhre 18 ausgeführt werden, das heißt, das Vakuum ist zwischen einer inneren und einer äußeren transparenten Röhre eingeschlossen, wie bei vielen Vakuum-Solar-Kollektorröhren (3). Das Brenngas 19 strömt entweder entlang der inneren Wandung der Vakuumröhre 18 oder es wird in einer in der Vakuumröhre liegenden Röhre geführt, der eigentlichen Brennkammer 1 (4). Im ersten Fall (nur die Vakuumröhre) wird die Vakuumröhre zur Brennkammer. Diese Variante ist sinnvoll, damit die Strahlungsenergie des Brenngases 19 wenigstens teilweise ohne absorbiert zu werden durch die transparenten Brennkammerwände nach außen strahlen kann. Gase haben bei geringen Drücken nur sehr geringe Emissionswerte, daher muss für diesen Fall das Brenngas unter Druck gesetzt werden, damit sein Emissionswert steigt. Dieses geschieht abgasseitig durch eine Drosselwirkung der Komponenten, die der Brennkammer 1 nachgeschaltet sind. Undichtigkeiten des Vakuums sind durch das Verschmelzen der Absaugstelle an der Vakuumröhre ausgeschlossen. Der Raum 5 um die Vakuumröhre herum wird vorzugsweise von einem Edelgas oder Elementgas durchströmt, um die Abwärme abzuleiten und in einem Niedertemperaturwärmetauscher 11 an das Frischgas 8 abzugeben.
Das aus dem Raum 5 oder/oder aus dem Kühlkanal 6 ausströmende Kühlmedium 7 wird in den Niedertemperaturwärmetauscher 11 geleitet, dort gibt es seine Wärme an das im Gegenstrom vorbeiströmende Frischgas 8 ab. Durch eine Pumpe oder ein Gebläse 13 wird das Kühlmedium 7 wieder in den Raum 5 und/oder in den Kühlkanal 6 gefördert (5). Wenn Frischgas 8 durch den Raum 5 oder/oder den Kühlkanal 6 strömt, muss dieses keine Wärme im Niedertemperaturwärmetauscher abgeben, sondern strömt direkt in den Hochtemperaturwärmetauscher 9.
Das aus der Brennkammer 1 ausströmende Brenngas 19 wird durch einen Hochtemperaturwärmetauscher 9 geleitet, dort gibt es im Gegenstromverfahren Wärmeenergie an das Frischgas 8 ab und anschließend wird es in ein Abgassystem eingeleitet. Der Volumenstrom des Frischgases 8, welcher bereits im Niedertemperaturwärmetauscher 15 vorgewärmt wurde, wird erst an der Stelle in den Hochtemperaturwärmetauscher 9 eingeleitet, an der der Hauptvolumenstrom des Frischgases im Hochtemperaturwärmetauscher die gleiche Temperatur wie der Teilstrom erreicht hat. Ab dieser Stelle werden beide Ströme des Frischgases zusammen durch den Hochtemperaturwärmetauscher geleitet. Der Hochtemperaturwärmetauscher 9 kann mit der Brennkammer 1 auch zu einem Bauteil verschmelzen. Zur besseren Wärmeübertragung zwischen dem Brenngas 19 und dem Frischgas 8 wird der Innenraum des Niedertemperaturwärmetauschers 11 und des Hochtemperaturwärmetauschers 9 mit einer wabenförmigen oder wellenförmigen dünnwandigen Struktur gefüllt, um eine große innere Wärmeübertragungsfläche zu realisieren. Diese Struktur wird auf der Brenngasseite mit einer katalytischen Oberflächenbeschichtung (Palladium, Platin, etc.) versehen, welche eine Abgasreinigung bewirkt.
In den Kreislaufdes Kühlmediums 7 und in den Kreislaufdes Edelgases/Elementgases ist jeweils ein Ausgleichsbehälter/Pufferspeicher 12 eingebunden, der die Ausdehnung des Kühlmediums 7 und des Edelgases/Elementgases bei Temperaturerhöhung auffängt oder Druckerhöhungen abpuffert und durch Undichtigkeiten entwichenes Gas ausgleicht.
Das Frischgas 8 wird durch einen Luftfilter gereinigt und in einem Frischluftgebläse 14 verdichtet. Es besteht entweder aus Luft, aus mit Sauerstoff angereicherter Luft oder aus Sauerstoff, der in einem Sauerstoffkonzentrator abgeschieden und leicht verdichtet wird. Wenn man mit Sauerstoff anstatt mit Luft arbeitet, erspart man sich die Stickoxid-Behandlung des Abgases und das Temperaturniveau der Verbrennung erhöht sich. Bei Verwendung von Luft als Frischgas 8 wird in den Abgasstrom Ammoniak eingespritzt oder eingedüst und somit die Stickoxidbelastung im Abgas reduziert.
Im Abgasstrom, vorzugsweise vor dem oder in dem Hochtemperaturwärmetauscher 9 ist mindestens eine keramische Membran angeordnet, deren Porengröße so gewählt wurde, dass durch hohe Verbrennungstemperaturen und damit verbundener Dissoziation in der Brennkammer 1 das im Brenngas enthaltene Kohlenmonoxid oder der enthaltende Wasserstoff abgeschieden und dem Brenner 2 wieder zugeführt werden. Auf die gleiche Weise kann in einem weiteren Filter dissoziierter Sauerstoff herausgefiltert und dem Brenner wieder zugeführt werden. Seit kurzem sind porenfreie keramische Hochtemperaturmembranen in der Entwicklung, die aus Rauchgasen reinen Sauerstoffgewinnen. Diese Technik kann auch hier Anwendung finden. Sollten die abgeschiedenen Kraftstoffe 15 noch hohe Temperaturen aufweisen, so werden sie durch einen Wärmetauscher geleitet und geben Wärmeenergie an das Frischgas 8 ab oder die Membran ist im Wärmetauscher zwischen dem Brenngas und dem Frischgas angeordnet und der dissoziierte Kraftstoff gelangt vom Brenngas direkt ins vorbeiströmende Frischgas. Kraftstoff 15, der dem System mit Umgebungstemperatur aus dem Kraftstofftank zugeführt wird, wird im Niedertemperaturwärmetauscher 11 und/oder im Hochtemperaturwärmetauscher 9 vorgewärmt und anschließend in thermisch isolierten Leitungen zum Brenner 2 geleitet.
Der Niedertemperaturwärmetauscher 11, der Hochtemperaturwärmetauscher 9, die Brennkammer 1, die brenngasführenden Kanäle/Leitungen 16, die Grundplatten/Trägerplatten der Photovoltaikzellen 4 und alle mit heißen Gasen in Kontakt befindlichen Bauteile bestehen aus einer Hochtemperaturkeramik, einer metallischen Hochtemperaturlegierung oder aus einem Kohlenstoffwerkstoff. Diese Materialien sind zum Schutz gegen Oxidation mit einer keramischen Schutzschicht versehen.
Eine Regelung empfängt Messwerte von an dem Stromerzeuger angebrachten Temperatur-, Druck- und Drehzahlsensoren, wertet diese aus und steuert den Brenner 2 und seine Flammüberwachung, den Sauerstoffkonzentrator, die Pumpe oder das Gebläse 13, die Vakuumpumpe, das Frischluftgebläse, ein Ventil zum Absperren der Frischluftzufuhr sowie die weitere Peripherie. Die Lagerung, Befestigung, Abdichtung und die Isolierung der Brennkammer 1, des Lumineszenzkollektors 3, des Hochtemperaturwärmetauschers 9 und anderer thermisch hochbelasteter Bauteile erfolgt in einem Isoliermaterial 17, welches für diese hohen Temperaturen ausgelegt ist. Als Isoliermaterial kommen Aerogel (vorzugsweise auf Silikatbasis), Keramikschaum, Keramikfasern oder andere für höchste Temperaturen ausgelegte Isoliermaterialien zum Einsatz. Poröse oder faserige Materialien erhalten nach außen hin geschlossene, gasdichte Flächen. Das Aerogel wird, bedingt durch seine Transparenz und seinen niedrigen Brechungsindex, dort als Abstandshalter oder Lagerung eingesetzt, wo der Lumineszenzkollektor 3 thermisch von benachbarten Bauteilen entkoppelt wird, aber die Totalreflexion an der Oberfläche nicht beeinträchtigt werden soll. Die Eintrittsfläche der Photovoltaikzellen 4 oder photovoltaischen Schichten kann mit einer selektiven Schicht versehen sein, welche die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, die nicht in elektrischen Strom umgewandelt werden können, reflektiert. Der Hochtemperaturwärmetauscher 9, die Brennkammer 1, brenngasführende Kanäle/Leitungen 16, die Photovoltaikzellen und alle mit heißen Gasen in Kontakt befindlichen Bauteile bestehen aus einer Hochtemperaturkeramik, einer metallischen Hochtemperaturlegierung (aus Wolfram, Titan, Tantal, Molybdän) oder aus einem Kohlenstoffwerkstoff (zum Beispiel aus Elektrographit, Kohlenstoffgraphit oder aus Glaskohle). Als Hochtemperaturkeramiken können beispielsweise Magnesiumoxid, Berylliumoxid, Thoriumoxid, Zirkoniumoxid, Zirkon, Spinell, Mullit, Sillimanit, Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Tantalcarbid, Tantalhafniumkarbid, Tantalnitrid, Tantaloxid, Hafiniumkarbid, Hafniumnitrid, Tantalhafiniumnitrid, Hafniumoxinitrid, Tantaloxinitrid, Yttriumoxid, Yttriumnitrid oder eine Transparentkeramik eingesetzt werden. Die Oberfläche der metallischen Hochtemperaturlegierung oder der Kohlenstoffwerkstoffe kann zum Schutz gegen Oxidation mit einer Hochtemperaturkeramik versehen sein. Je nach Werkstoffauswahl kann hierfür der Einsatz einer weiteren Schicht als Haftvermittler notwendig sein.
An thermisch belasteten Stellen erfolgt die Kühlung durch Kühlkanäle 6, in denen Frischgas 8 strömt, welches somit vorgewärmt wird oder dort zirkuliert ein Kühlmedium 7, welches anschließend durch den Niedertemperaturwärmetauscher 11 strömt und dort Wärmeenergie an das vorbeiströmende Frischgas 8 abgibt. Metallische Reflektoren haben selten einen Reflexionsgrad größer 95%, daher kann unter allen hochreflektierenden Oberflächen oder auf der Rückseite der metallischen Reflektoren eine Schicht aus Isoliermaterial angebracht werden, die eine Wärmeableitung der vom Reflektor absorbierten Wärme in diese Richtung minimiert. Eine vorteilhafte Ausführungsform für alle hochreflektierenden Oberflächen ist eine dünne Silberschicht, welche mit einem transparenten Material überzogen ist. Die Kabel und Leiterbahnen, durch die die in den Photovoltaikzellen 4 oder photovoltaischen Schichten generierten Ströme fließen, bestehen an thermisch hochbelasteten Stellen aus Elektrographit, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Molybdänit oder aus anderen Kohlenstoffmaterialien, wobei die eben genannten Materialien durch eine dünne keramische Schutzschicht gegen Oxidation geschützt sind. Sie können aber auch aus einer elektrisch leitenden Keramik (beispielsweise Si-infiltriertem SiSiC) bestehen, diese kann mit einer elektrisch nichtleitenden Keramik beschichtet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3305853 [0003]
DE 2737847 [0003]
DE 102006062448 [0003]
WO 2009095310 [0003]
WO 2010043414 [0003]
EP 0810409 [0010]

Claims

Stromerzeuger bestehend aus mindestens einer Brennkammer (1) und mindestens einem Brenner (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer wenigstens teilweise von mindestens einem Lumineszenzkollektor (3) umgeben ist, an dem Photovoltaikzellen oder photovoltaische Schichten (4) angeordnet sind.
Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lumineszenzkollektor (3) aus transparenten Polymeren, Borosilikatglas, Glas, Glaskeramik, Transparent-Keramik, Quarzglas, CVD-Zinksulfid, Multispectral grade Zinksulfid, Chalkogenid Glas, Sub-um-Sinterkorund, Nanokeramik, AMTIR, Saphir, CaF₂, BaF₂, MgF₂, Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, Ga₂O₃, Sc₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃, Lu₂O₃, Y₃Al₅O₁₂, Gd₃Al₅O₁₂, Lu₃Al₅O₁₂, YVO₄, GdVO₄, LuVO₄, CaSiO₄, SrSiO₄, BaSiO₄, SiO₂, CsI, CsCI, CsBr, KI, KCI, Kbr, AgCI, AgBr, As₂S₃, MgF₂, MnF₂, CdF₂, CaF₂, PbF₂, CdS, CdTe, SrF₂, TiO₂, MgO, NaF, NaBr, NaCI, NaI, TICI, TIBr, GaAs, Se, Si, LiF, LaF₃, BaF₂, KRS-5, KRS-6, ZnTe, InAs, LiNbO₃,Y₂O₃ oder aus verschiedenen dieser Materialien besteht oder aus einem anderen für UV-Strahlung, sichtbares Licht und Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchlässigen Material.
Stromerzeuger nach vorgenanntem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in den Lumineszenzkollektor (3) lumineszierende Materialien eingebettet sind oder als Schicht aufgebracht sind, vorzugsweise Seltene-Erden-Ionen, wobei mehrere verschiedene lumineszierende Materialien eingebettet/aufgebracht sind, die unterschiedliche Absorptionsspektren aufweisen und der Lumineszenzkollektor mit metallischen Nanopartikeln dotiert ist.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raum (5), der die Brennkammer (1) und den Lumineszenzkollektor (3) umgibt, wenigstens teilweise mit einem Edelgas, einem Edelgasgemisch, einem Elementgas und/oder mit einem Aerogel gefüllt ist und/oder dass in diesem Raum wenigstens teilweise ein Vakuum herrscht.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lumineszenzkollektor oder die Lumineszenzkollektoren (3) die von der Brennkammer (1) emittierte Strahlungsenergie wenigstens teilweise aufnimmt/aufnehmen und durch Totalreflexion zu den Seitenrändern leitet/leiten, wobei die Seitenränder an den Stellen, an denen keine Strahlung austreten soll, metallisch verspiegelt sind und an den Stellen, an denen die Strahlung austritt und in die Photovoltaikzellen oder photovoltaische Schichten (4) einstrahlt wird, nicht verspiegelt sind.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der Brennkammer (1) mit einer Schicht versehen ist, die eine Hochkonversion (Up-Conversion) oder eine Abwärtskonversion (Down-Conversion) der elektromagnetischen Strahlung bewirkt und/oder dass die Schicht die Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung zurück in die Brennkammer reflektiert, die vom lumineszenten Material des Lumineszenzkollektors (3) nicht konvertiert würden.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseintrittsfläche des Lumineszenzkollektors (3) mit einer selektiven Schicht oder einem Filter, vorzugsweise einem Interferenzfilter, versehen ist, die/der im Wesentlichen die Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung reflektiert, die vom lumineszenten Material des Lumineszenzkollektors (3) nicht konvertiert würden.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikzellen oder photovoltaischen Schichten (4) von einem Kühlkanal (6) umgeben sind, der von einem vorzugsweise gasförmigen Kühlmedium (7) oder von Frischgas (8) durchströmt wird.
Stromerzeuger nach vorgenanntem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand des Raumes (5) und die Außenwand des Hochtemperaturwärmetauschers (9) von innen mit einer keramischen Reflexionsschicht oder einer hochreflektierenden metallischen Oberfläche, welche mit einer dielektrischen Schicht überzogenen ist oder mit einer Oberfläche, welche mit einem hochreflektierendem CPC-Array ausgestattet ist, versehen sind.
Stromerzeuger nach vorgenanntem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass den Raum (5) und die Außenwand des Hochtemperaturwärmetauschers (9) wenigstens teilweise ein Vakuum umschließt oder diese Außenwände wenigstens teilweise von einem Aerogel umgeben sind.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) mit Emissionsflächen (10) versehen ist, die wenigstens teilweise aus einem Material mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen oder damit beschichtet sind, vorzugsweise mit Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) aus einer Vakuumröhre (18) besteht oder von einer Vakuumröhre umgeben ist.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Kühlkanal (6) und/oder aus dem Raum (5) ausströmende Kühlmedium in einen Niedertemperaturwärmetauscher (11) geleitet wird, dort seine Wärme an das im Gegenstrom vorbeiströmende Frischgas (8) abgibt, durch eine Pumpe/ein Gebläse (13) strömt und wieder in den Raum (5)/in den Kühlkanal (6) eingeleitet wird.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Brennkammer (1) ausströmende Brenngas durch einen Hochtemperaturwärmetauscher (9) geleitet wird, dort seine Wärme an das im Gegenstrom vorbeiströmende Frischgas (8) abgibt und anschließend in ein Abgassystem eingeleitet wird.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kreislauf des Kühlmediums (7) und in den Kreislauf des Edelgases/Elementgases mindestens ein Ausgleichsbehälter/Pufferspeicher (12) eingebunden ist.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgas (8) aus in einem Frischluftgebläse (14) verdichteter und durch einen Luftfilter gereinigter Luft oder aus in einem Sauerstoffkonzentrator abgeschiedenen und verdichteten Sauerstoff-Luft-Gemisch oder aus Sauerstoff besteht.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom, vorzugsweise vor dem oder in dem Hochtemperaturwärmetauscher (9) mindestens eine keramische Membran angeordnet ist, deren Porengröße so gewählt wurde, dass durch hohe Verbrennungstemperaturen und damit verbundener Dissoziation in der Brennkammer (1) im Brenngas enthaltenes Kohlenmonoxid und/oder enthaltener Wasserstoff abgeschieden und dem Brenner (2) wieder zugeführt werden/wird.
Stromerzeuger nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturwärmetauscher (9), die Brennkammer (1), die brenngasführenden Kanäle/Leitungen (16) und alle mit heißen Gasen in Kontakt befindlichen Bauteile aus einer Hochtemperaturkeramik, einer metallischen Hochtemperaturlegierung oder aus einem mit einer keramischen Schutzschicht versehenen Kohlenstoffwerkstoff bestehen.