DE102016009282B4

DE102016009282B4 - Verfahren zur dezentralen Erzeugung von Elektroenergie und Anordnung zur Durchführung

Info

Publication number: DE102016009282B4
Application number: DE102016009282.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2036-01-06
Also published as: DE102016009282A1

Abstract

Anordnung zur dezentralen Erzeugung von Elektroenergie, die Anordnung bestehend aus einem beidseitig mit Blindflanschen (10) und mit Dichtungen (12) abgedichteten Hohlzylinder (3) aus VA Stahl, der Hohlzylinder (3) mit- beidseitig ausgebildeten Ventilen (1, 2),- einem passgenauen, aus Eisen gebildeten Kolben (7) mit einem aus Kupfer gebildeten Simmerring (13), und- einer Führungsstange (9) zum Führen des Kolbens (7), wobei der Hohlzylinder (3) von einer Umwicklung aus Kupferrohr, in welchem ein Gemisch aus Wasser und Diethylenglykol als Wärmetauscherflüssigkeit enthalten ist, ummantelt ist,über die Umwicklung (4) schalenförmige Permanentmagnete (5) angeordnet sind und über die Permanentmagnete (5) eine Mineralwolleschicht (6) angeordnet ist,und wobei in dem Hohlzylinder (3) auf einer ersten Seite des Kolbens (7) ein mit Druck beaufschlagtes Arbeitsmittel in Form von flüssigem Gas enthalten ist, welches sich bei einer Temperaturerhöhung unter Bewegung des Kolbens (7) ausdehnt, wobei in dem Kolben (7) eine Spannung induziert wird, und wobei in dem Hohlzylinder (3) auf einer zweiten Seite des Kolbens (7) ein mit Druck beaufschlagtes, gasförmiges Druckpolster (11) ausgebildet ist, welches einer Ausdehnung des Arbeitsmittels entgegenwirkt und bei Temperaturerniedrigung eine Rückstellung des Kolbens (7) bewirkt, wobei die induzierte Spannung zwischen der Führungsstange (9) und dem Hohlzylinder (3) abgreifbar ist.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung:
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar in Wüsten-, Steppen-, Tundra- und Savannengebieten, wo der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht sehr groß ist. Hier speziell in Klein- und Kleinstbetrieben und privaten Haushalten. Aber auch in Mitteleuropa bzw. Europa ist der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht ausreichend.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:
Bekannt sind zentrale, konventionelle Wärmekraftwerke (Richard Laufen, Christoper S. Mellisch: Grundlagen, Wärmekraftwerke, Wasserkraftwerke AT00000A162374A und AT 327 229 B auf Basis fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas). Nachteilig ist dabei, dass solche Kraftwerke mit Wasserdampf arbeiten und daher Temperaturen, die weit über 100 Grad Celsius liegen, notwendig sind. Dies erfordert große Mengen an Wärmeenergie. Hierbei entstehen hohe Anteile an Abwärme. Alle fossilen Brennstoffe enthalten mehr oder minder viel Schwefel. Dieser wird beim Verbrennungsprozess in Schwefeloxid umgewandelt. Dieses reagiert mit Luft-Sauerstoff und atmosphärischem Wasser zu Schwefelsäure bzw. schwefliger Säure. Sie sind ein starkes Umweltgift und u.a. für das Waldsterben verantwortlich.
Nachteilig ist ferner, dass solche Kraftwerke zentral betrieben werden. Dies bedingt hohe Leitungsverluste vom Kraftwerk zum Verbraucher. Beim Verbrennen fossiler Brennstoffe entstehen große Mengen des Treibhausgases Kohlendioxid, welches ebenfalls ein Umweltgift ist.
Bekannt sind weiterhin Photovoltaikanlagen, meist dezentral. (K. Mertens, Photovoltaik - Lehrbuch zu Grundlagen Technologie und Praxis AT 512 996 A1 und AT 510 938 A1 Diese wandeln Sonnenenergie direkt in Elektroenergie um. Nachteilig an dieser Lösung sind die hohen Anlagekosten, insbesondere für die Solarzellen und der niedrige erreichbare Wirkungsgrad von etwa 12 %. Ein weiterer Nachteil ist, dass Solaranlagen nur Elektroenergie produzieren, wenn die Sonne scheint. Nachts und in den Wintermonaten ist die Stromausbeute Null bzw. gering.
Schließlich sind Wasserkraftwerke ( DE 20 2012 006 352 U1 ) bekannt. Diese sind nicht überall zu errichten und bedeuten einen signifikanten Eingriff in die Umwelt.
Letztlich gibt es Windräder (siehe Erich Hau; Windkraftanlagen, Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit und DE 20 2012 005 704 U1 Diese sind stark vom Wind abhängig und verursachen hohe Anschaffungskosten. Sie sind nur ab einer hohen Größe wirtschaftlich und damit für Klein- und Kleinstbetriebe und private Haushalte ungeeignet.
DE 35 26 289 A1 offenbart eine hydraulische Wärmekraftmaschine mit einem in einem Druckbehälter befindlichen Arbeitsfluid, welcher einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und mit einem in dem Druckbehälter angeordneten Wärmetauscher, durch den zur Energiegewinnung abwechselnd ein warmes und kaltes Wärmeübertragungsmedium hindurchführbar ist, wobei die abwechselnde Druckerhöhung und Druckverringerung im Druckbehälter eine Arbeitskraft auf einen hin- und herbewegten Arbeitskolben überträgt.
Aus DE 23 55 728 A1 ist ein Motorgenerator zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischer Energie bekannt. Der Motorgenerator ist außerdem vorgesehen, mechanische Energie aus elektrischer Energie zu erzeugen.
DE 10 2008 053 068 A1 offenbart einen Freikolbenmotor mit variablem Hub. Der Freikolbenmotor weist einen Kolben und eine Kolbenaufnahme mit einer Seitenwand auf, entlang derer sich der Kolben linear verlagern kann. Eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung sind dafür ausgebildet, eine Zufuhr von Brennstoffgemisch und eine Abfuhr von Abgas zu ermöglichen, wobei an der Seitenwand eine dritte Öffnung ausgebildet ist, um eine Zufuhr von Brennstoffgemisch oder eine Abfuhr von Abgas zu ermöglichen.
DE 199 29 954 A1 betrifft ein Gerät zum Auftragen eines pastenartigen Brotaufstrichs.
Ziel der Erfindung: Ziel der Erfindung ist es, kostengünstig Elektroenergie zu erzeugen, den Wartungsaufwand so gering wie möglich zu halten und die Anlage ohne schädigende Umwelteinflüsse zu betreiben.
Darlegung des Wesens der Erfindung:
Aufgabe der Erfindung ist es, aus billiger Wärmeenergie, die als Sonnenwärme bzw. als Abwärme ausreichend zur Verfügung steht, teure Elektroenergie bei niedriger Temperatur (kleiner 100 Grad Celsius) und hohem Wirkungsgrad zu erzeugen.
Unter Druck stehende flüssige Gase, vorzugsweise Kohlendioxid, dehnen sich bei Wärmezufuhr (Temperaturerhöhung) stark aus und verringern ihr Volumen bei Wärmeentzug (Temperaturerniedrigung) unter hoher Kraftwirkung. Dieser Effekt ist seit langem bekannt (Flüssiggas-Handbuch von Klaus Kurth und Autorenkollektiv). Völlig neu ist die Idee diese Energie zur Energieerzeugung zu nutzen. Die Umwandlung der genannten Energie in Elektroenergie erfolgt mit der Anordnung.
Anordnung bestehend aus einem Hohlzylinder aus VA Stahl, mit passgenauem Kolben aus Eisen und einem Simmerring vorzugsweise aus Kupfer, wobei der Hohlzylinder von einer Umwicklung aus Kupferrohr, in welchem sich die Wärmetauscherflüssigkeit (vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser und Diethylenglykol) befindet, ummantelt ist und darüber Permanentmagnete, vorrangig aus einem metallüberzogenen, schalenförmigen, gesinterten Neodym-Eisen-Bor-Gemisch. Hierüber ist eine Schicht aus Mineralwolle angeordnet. Im Hohlzylinder, der beidseitig verflanscht und mittels Dichtung abgedichtet ist, befindet sich das unter Druck stehende Arbeitsmittel, vorzugsweise flüssiges Kohlendioxid. Ein Druckpolster, vorrangig aus gasförmigem Stickstoff, sorgt für die Rückbewegung des Kolbens bei Temperaturerniedrigung (Volumenverringerung). Das Magnetfeld der Permanentmagneten durchdringt die Kupferschlange und den Mantel des Hohlzylinders aus VA- Stahl. Bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens im Hohlzylinder werden magnetische Feldlinien geschnitten. Im Kolben wird eine Spannung induziert, welche über die Führungsstange und den Hohlzylinder abgeleitet und den Batterien zugeführt wird. Mittels zweier Wechselrichter erfolgt die Umwandlung dieses Gleichstromes in 220 V Wechselstrom. Dieser gelangt bei Bedarf von hieraus direkt zum Verbraucher.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung

Ausführungsbeispiel:
Die Erfindung soll anhand einer Zeichnung näher erläutert werden:

In einem bis zur Hälfte mit flüssigem Kohlendioxid (8) gefüllten Hohlzylinder (3), aus VA Material, wobei das Kohlendioxid durch das Ventil (2) eingefüllt wurde, befindet sich ein passgenauer Kolben (7) aus Eisen mit Simmerring (13) vorzugsweise aus Kupfer. Der Hohlzylinder (3) ist beidseitig verflanscht (10) und bis 200 bar ausgelegt und geprüft. Gleiches gilt für die Ventile (1); (2). Über dem Zylindermantel ist eine Umwicklung aus Kupferrohr (4) angeordnet, in welchem sich die Wärmetauscherflüssigkeit (vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser und Diethylenglykol) befindet und darüber Permanentmagnete (5), vorzugsweise aus einem schalenförmigen gesinterten, metallüberzogenen Neodym-Eisen-Bor Gemisch. Hierüber befindet sich eine Schicht aus Mineralwolle (6). Diese dient der Wärmedämmung. Mittels gasförmigem Stickstoff wird der Druck im Hohlzylinder durch Öffnen des Ventils (1), beispielsweise mit Hilfe einer Stickstoffflasche, auf 60 bar gebracht. Danach wird das Ventil (1) wieder fest verschlossen. Das magnetische Feld durchdringt die Umwickelung aus Kupferrohr (4) und den Hohlzylinder (3) aus VA Material. Bei einer Temperaturerhöhung beispielsweise auf 35 Grad Celsius am Tage dehnt sich das flüssige Kohlendioxid (8) aus. Der Kolben (7) wird nach links bewegt, magnetische Feldlinien geschnitten und dadurch im Kolben (7) eine Spannung induziert, welche an die Führungsstange (9) und den Hohlzylinder weitergegeben wird. Der elektrische Strom wird von hieraus zur Batterie weitergeleitet. Nachts, wenn die Temperatur z.B. auf 15 Grad Celsius sinkt (Volumenverringerung), wird der Kolben (7) durch das Druckpolster (11) zurückbewegt und wiederum eine Spannung induziert, welche an die zweite Batterie weitergeleitet wird. Mittels zweier Wechselrichter erfolgt die Umwandlung der Gleichspannung der Batterien in 220 V Wechselstrom und gelangt von hieraus bei Bedarf zum Verbraucher. Bei der nächsten Temperaturerhöhung dehnt sich das Kohlendioxid (8) wiederum aus und verringert dessen Volumen bei Temperaturerniedrigung. Der Zyklus von Vor- und Rückbewegung des Kolbens (7) im Hohlzylinder (3) beginnt erneut. Jeweils bei einer Temperaturdifferenz von +/-10 Grad Celsius zwischen dem angewendeten Solarmodul bzw. der Abwärme und dem flüssigen Kohlendioxid (8) wird die Umwälzpumpe (kleiner 0,5 Watt) in Betrieb genommen und bei einem ungefähren Ausgleich der Temperaturen wieder abgeschaltet. Der mit dieser Anordnung erzielbare energetische Wirkungsgrad beträgt 25 Prozent. Die Anordnung kann auch bei Minustemperaturen fehlerfrei betrieben werden, solange die Temperaturdifferenz zwischen Solarmodul bzw. der Abwärme +/-10 Grad Celsius beträgt. Die Anordnung arbeitet ohne schädigende Umwelteinflüsse und ist weitgehend wartungsfrei.

Folgender Aspekt ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung:
Verfahren zur dezentralen Erzeugung von Elektroenergie, und Anordnung zur Durchführung, nach dem Induktionsgesetz aus Sonnenwärme mittels Sonnenkollektoren, bzw. aus Abwärme, gekennzeichnet dadurch, dass die Volumenvergrößerung bei Temperaturerhöhung bzw. Volumenverringerung bei Temperaturerniedrigung von unter Druck stehenden flüssigen Gasen, insbesondere von Kohlendioxid (8) zur Energiegewinnung genutzt wird. Dabei werden Temperaturen, die kleiner als 100 Grad Celsius sind, angewendet.Anordnung bestehend aus einem Hohlzylinder (3) aus VA- Stahl mit passgenauem Kolben aus Eisen (7) mit einem Simmerring (13), vorrangig aus Kupfer. Der Hohlzylinder(3) ist beidseitig verflanscht (10), mit Dichtungen (12) versehen und ummantelt mit einer Umwicklung aus Kupferrohr (4), in welchem sich die Wärmetauscherflüssigkeit (vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser und Diethylenglykol) befindet und darüber Permagnete (5), vorrangig aus einem metallüberzogenen, schalenförmigen, gesinterten Neodym-Eisen-Bor Gemisch. Hierüber ist eine Schicht aus Mineralwolle (6) angeordnet, wobei sich im Hohlzylinder (3) das unter Druck stehende Arbeitsmittel, vorzugsweise flüssiges Kohlendioxid (8), befindet. Im Hohlzylinder (3) ist außerdem ein Druckpolster (11), vorrangig aus gasförmigem Stickstoff, ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Ventile
2: Ventile
3: Hohlzylinder aus VA - Stahl
4: Umwickelung aus Kupferrohr
5: Permanentmagnete
6: Schicht aus Mineralwolle
7: Kolben aus Eisen
8: flüssiges Kohlendioxid
9: Führungsstange
10: Verflanschung
11: Druckpolster
12: Dichtung
13: Simmering

Claims

Anordnung zur dezentralen Erzeugung von Elektroenergie, die Anordnung bestehend aus einem beidseitig mit Blindflanschen (10) und mit Dichtungen (12) abgedichteten Hohlzylinder (3) aus VA Stahl, der Hohlzylinder (3) mit - beidseitig ausgebildeten Ventilen (1, 2), - einem passgenauen, aus Eisen gebildeten Kolben (7) mit einem aus Kupfer gebildeten Simmerring (13), und - einer Führungsstange (9) zum Führen des Kolbens (7), wobei der Hohlzylinder (3) von einer Umwicklung aus Kupferrohr, in welchem ein Gemisch aus Wasser und Diethylenglykol als Wärmetauscherflüssigkeit enthalten ist, ummantelt ist, über die Umwicklung (4) schalenförmige Permanentmagnete (5) angeordnet sind und über die Permanentmagnete (5) eine Mineralwolleschicht (6) angeordnet ist, und wobei in dem Hohlzylinder (3) auf einer ersten Seite des Kolbens (7) ein mit Druck beaufschlagtes Arbeitsmittel in Form von flüssigem Gas enthalten ist, welches sich bei einer Temperaturerhöhung unter Bewegung des Kolbens (7) ausdehnt, wobei in dem Kolben (7) eine Spannung induziert wird, und wobei in dem Hohlzylinder (3) auf einer zweiten Seite des Kolbens (7) ein mit Druck beaufschlagtes, gasförmiges Druckpolster (11) ausgebildet ist, welches einer Ausdehnung des Arbeitsmittels entgegenwirkt und bei Temperaturerniedrigung eine Rückstellung des Kolbens (7) bewirkt, wobei die induzierte Spannung zwischen der Führungsstange (9) und dem Hohlzylinder (3) abgreifbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel flüssiges Kohlendioxid (8) eingesetzt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckpolster (11) mittels Stickstoff ausgebildet ist und einen Druck von 60 bar aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete aus einem gesinterten, metallüberzogenen Neodym-Eisen-Bor-Gemisch ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder für einen Druck bis 200 bar ausgelegt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Anordnung mit einer Temperaturdifferenz von 10°C zwischen Temperaturerniedrigung und Temperaturerhöhung betreibbar ist.
Verfahren zur dezentralen Erzeugung von Elektroenergie mit einer Anordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, wobei eine Volumenvergrößerung bei Temperaturerhöhung und eine Volumenverringerung bei Temperaturerniedrigung von unter Druck stehenden flüssigen Gasen als Arbeitsmittel ausgenutzt wird, bei dem Verfahren - die Temperaturerhöhung aus Sonnenwärme mittels Sonnenkollektoren bereitgestellt wird, - ein Gemisch aus Wasser und Diethylenglykol als Wärmetauscherflüssigkeit eingesetzt wird, - flüssiges Gas als Arbeitsmittel bei der Temperaturerhöhung unter Bewegung des Kolbens (7) ausgedehnt wird, dabei magnetische Feldlinien der Permanentmagnete (5) geschnitten und im Kolben (7) eine Spannung induziert wird, - nachfolgend die Temperatur erniedrigt und der Kolben (7) durch das Druckpolster (11) und durch Volumenverringerung des Arbeitsmittels zurückbewegt wird, wobei eine Spannung in den Kolben (7) induziert wird, wobei - die jeweils erzeugte Spannung über die Führungsstange (9) und den Hohlzylinder (3) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Spannung zur Speicherung in Batterien zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinders (3) bei einer Temperaturerhöhung auf 35°C erwärmt wird und bei einer Temperaturerniedrigung auf 15°C abgekühlt wird.