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Vorrichtung zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, die
die Strahlungswärme von Sonnenstahlen ausnutzt und gleichzeitig elektrische Energie
dann abgeben kann, wenn keine Sonneneinstrahlung stattfindet.
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Zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie ist eine Vorrichtung
mit einem Hohlspiegel bekannt, einem in dessen Brennpunkt angeordneten Verdampfer,
mit einer über eine Kreisleitung mit dem Verdampfer verbundenen Turbine mit Kondensator
und Pumpe und mit einem von der Turbine angetriebenen Generator. Diese Vorrichtung
ist zur Erzeugung von elektrischer Energie offensichtlich von einer kontinuierlichen
Sonneneinstrahlung abhängig.
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Zur Speicherung der Sonnenenergie nach deren vorheriger Umwandlung
in elektrische Energie ist bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der mit Hilfe der
Sonnenenergie Wasser in einer Elektrolytkammer in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten
wird. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden getrennt in Speichern gelagert und
bei dieser Vorrichtung bei ausbleibender Sonneneinstrahlung einer üblichen Verbrennungskraftmaschine
zugeleitet. Diese treibt einen Generator an, so daß wieder elektrische Energie zur
Verfügung steht. Die Umwandlung der in dem Wasserstoffgas und dem Sauerstoffgas
enthaltenen Energie in die elektrische Energie über die Verbrennungskraftmaschine
stellt jedoch einen Umweg dar, der einen niedrigen Wirkungsgrad bedingt.
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Zur unmittelbaren Gewinnung von elektrischer Energie aus dem Wasserstoffgas
und dem Sauerstoffgas sind sogenannte Brennstoffzellen bekannt, in denen die beiden
Gase unter Bildung von Wasser und unter Abgabe elektrischer Energie wiedervereinigt
werden.
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Die eingangs genannte Aufgabe, sowohl bei Sonneneinstrahlung als auch
bei Ausbleiben der Sonneneinstrahlung elektrische Energie zu erhalten, wird gemäß
der Erfindung unter Verwendung der vorstehend genannten bekannten Merkmale dadurch
gelöst, daß zwei Energiewege verwendet werden, von denen der erste vom Generator
zur Nutzlast und der zweite vom Generator über die Elektrolytkammer, Speicher für
Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, und über die Brennstoffzelle zur Nutzlast führt.
In dieser Anordnung sieht die Erfindung weiter eine die Brennstoffzelle mit der
Elektrolytkammer verbindende Wasser-Rückleitung und einen Schalter zum Abschalten
des Generators bei fehlender Sonneneinstrahlung vor.
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Bei Sonneneinstrahlung wird der Generator auf bekannte Weise von der
Turbine angetrieben und leitet seine Ausgangsspannung einmal der Nutzlast und zum
anderen der Elektrolytkammer zu. In dieser wird ein Elektrolyt, z. B. Wasser, in
seine Bestandteile gespalten, die über den zweiten Energieweg getrennt den Speichern
zugeführt werden. Bei fehlender Sonneneinstrahlung werden die Gase weiter über den
zweiten Energieweg der Brennstoffzelle zugeleitet, in der sie wiedervereinigt werden,
wobei elektrische Energie an die Nutzlast abgegeben wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit sowohl bei Sonneneinstrahlung
als auch bei fehlender Sonneneinstrahlung eine kontinuierliche Versorgung mit elektrischer
Energie sicher. Im Unterschied zu der bekannten Vorrichtung, die zur Energiegewinnung
bei fehlender Sonneneinstrahlung eine Verbrennungskraftmaschine vorsah, wird hier
lediglich eine Brennstoffzelle verwandt. Vom Gewicht und vom Wirkungsgrad aus gesehen,
ist eine Brennstoffzelle besser als eine Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschaltetem
Generator. Die dadurch bedingte Gewichtsersparnis und der höhere Wirkungsgrad machen
die erfindungsgemäße Vorrichtung daher besonders geeignet zur Anwendung in Raumfahrzeugen,
bei denen das Gewicht niedrig und der Wirkungsgrad hoch liegen muß.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt in der Wasser-Rückleitung
eine von der Turbine angetriebene weitere Pumpe. Der Erfindung sieht auch noch einen
in der Wasser-Rückleitung liegenden Wasserspeicher vor. -
Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt in der Wasser-Rückleitung strömungsaufwärts
von der Pumpe und dem Wasserspeicher ein Wasserstoffabscheider, der über eine Leitung
unmittelbar mit dem Wasserstoffspeicher verbunden ist.
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Schließlich sieht die Erfindung noch vor, daß die am Generator liegenden
Schalter als selbsttätig wirkende Regler ausgebildet sind.
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Das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas werden in den Speichern bzw.
Tanks unter Druck gelagert. Hierdurch können größere Energiemengen auf Vorrat gehalten
werden.
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Die Erfindung wird nun am Beispiel von zwei Ausführungen weiter erläutert.
Die erste Ausführung zeigt schematisch die erfindungswesentlichen Bestandteile,
während die zweite Ausführung die praktische Anwendung an einem Raumfahrzeug zeigt.
Zur näheren Erläuterung dienen die Zeichnungen.
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F i g. 1 zeigt das Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
F i g. 2 ist eine Aufsicht auf eine abgeänderte Ausführung; F i
g. 3 ist eine Seitenansicht der in F i g. 2 gezeigten Ausführung;
F i g. 4 ist eine perspektivische Ansicht.
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Gemäß F i g. 1 enthält der Energieumwandler einen Hohlspiegel
2, in dessen Brennpunkt ein Verdampfer 4 angeordnet ist. Im Verdampfer wird Quecksilber
verdampft und der Quecksilberdampf wird in einer Leitung 6 zu einer Turbine
8 geleitet, die unter Entspannung des Dampfes angetrieben wird und ihrerseits
einen Generator 10 und eine Pumpe 12 antreibt. Der Abdampf aus der Turbine
8
wird in einen Kondensator 14 geleitet, in dem der Quecksilberdampf gekühlt
und kondensiert wird. Die Pumpe 12, die zwei Stufen 12 a und 12 b enthält,
drückt das wieder flüssige Quecksilber über die Stufe 12 a durch eine Leitung
16 zurück zum Verdampfer 4.
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Der Generator 10 ist mit einem Regler oder Schalter
18 verbunden, der die elektrische Energie zwischen einer Nutzlast 20 und
einer Elektrolekammer 22 aufteilt. Zum Regler 18 gehört ein weiterer Schalter
23, mit dem der Generator 10 und die Elektrolytkammer 2Z bei Fehlen
von Sonneneinstrahlung von der Nutzlast 20 getrennt werden.
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Zür Versorgung mit elektrischer Energie bei Stillgesetztem Generator
10 dient eine Brennstoffzelle 24, die durch Wiedervereinigung von Sauerstoff
und Wasserstoff auf chemischem Wege elektrische Energie erzeugt. Der in der Brennstoffzelle
24 entstehende Strom wird der Nutzlast 20 zugeführt.
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Aus einem Speicher 26 wird Sauerstoff und aus einem Speicher
28 Wasserstoff in die Brennstoffzelle 24 geliefert und bei der Wiedervereinigung
zu Wasser entsteht elektrische Energie. Damit die Brennstoffzelle 24 elektrisch
leitend ist, kann der in ihr enthaltene Elektrolyt eine Lauge aus Wasser und einem
Hydroxyd sein, z. B. Kaliumhydroxyd.
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Die Verwendung eines solchen Elektrolyten dieser Art ist vorteilhaft,
da das durch die Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle
24 gebildete Wasser zu einem Teil des Elektrolyten wird und in die Elektrolythammer
22 gelangt, von der Wasserstoff und Sauerstoff wieder getrennt abgenommen werden.
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Das Wasser (Elektrolyt) aus der Brennstoffzelle 24 wird durch einen
Wasserstoffabscheider 30 gepumpt, der überschüssigen Wasserstoff aus dem
Wasser entfernt. über den Wasserspeicher 32 wird das Wasser dann in die Elektrolytkammer
22 zurückgeführt, was mit der Pumpenstufe 12b erfolgt.
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Im Betrieb wird ein Teil der von dem Generator 10 erzeugten
Energie zum Zersetzen des Wassers in der Eleltrolytkammer 22 in seine beiden Bestandteile
verwendet, die getrennt in die Speicher 26 und 28
geleitet werden.
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Es kann erwünscht sein, den Druck in der Elektrolytkammer 22 höher
zu halten als in der Brennstoffzelle 24, damit der gasförmige Sauerstoff und der
C (Yasförmige Wasserstoff bei höheren Drucken gespeichert werden können. Dies läßt
sich durch geeignete Bemessung der Pumpenstufe 12 b und mit Ventilen erreichen.
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Der Energieumwandler enthält zwei Kreisläufe. Ein Kreislauf betrifft
die Energieerzeugung und der andere das Aufspeichern der Energie. Der beschriebene
Energiekreislauf kann mit einem anderen Energiespeicherkreislauf betrieben werden;
umgekehrt kann der Energiespeicherkreislauf mit einem anderen Energieerzeugerkreislauf
betrieben werden.
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Ein beide Kreisläufe enthaltender Energieumwandler ist in den F i
g. 2, 3 und 4 dargestellt. Diese Anlage unterscheidet sich von der
Darstellung in F i g. 1
dadurch, daß statt Quecksilber Wasser verwendet wird.
Das System aus Verdampfer, Turbine und Kondensator verwendet das Wasser aus der
Elektrolytkammer und der Brennstoffzelle und ist mit diesen zusammengebaut. Die
in den F i g. 2, 3 und 4 gezeigte Anordnung verwendet weiter keinen
Wasserstoffabscheider, durch den überschüssiger Wasserstoff von dem Wasser (Elektrolyt)
abgetrennt wird, obgleich dies möglich ist.
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Nach den F i g. 2, 3 und 4 enthält der Hohlspiegel 2' in seiner
Brennlinie den Verdampfer 4". Auf der Rückseite des Spiegels sind unter axialem
Abstand mehrere Streben 34 angebracht, die den Sauerstofftank 26' und zwei
Wasserstofftanks 28' tragen. über die Leitung 6' wird aus dem Verdampfer
4' Dampf in die Turbine, 8' geleitet, die den Generator 10' antreibt.
Die Turbine und der Generator werden durch einen Bügel 36 auf einer der Streben
34 gehalten. Eine Abdampfleitung 38 führt den entspannten Dampf aus der Turbine
in den Kondensator U', der im wesentlichen flach ist, auf den Streben 34 ruht und
durch Spannseile 40 in seiner Lage gehalten wird.
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Aus dem Kondensator fließt das abgekühlte Wasser durch eine Leitung
42 zur Pumpenstufe 12'. Ein Elektromotor 44 treibt die Pumpe an. Der Motor 44 wird
vom Generator 10' gespeist.
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Elektrische Verbindungen sind nicht eingezeichnet. Von der Pumpe
12' wird das Wasser in die Elektrolytkammer 22 geleitet. Hier wird das Wasser
in seine Bestandteile H, und 0, zersetzt. Der Wasserstoff wird über eine
Leitung 48 in den Speicher 28' und der Sauerstoff über eine Leitung
50 in den Speicher 26' geführt.
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Von den Speichern führt eine Leitung 52 den Sauerstoff in die
Brennstoffzelle 24' und eine Leitung 54 den Wasserstoff. In der Zelle 24'
wird durch die Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser elektrische
Energie erzeugt. Aus der Brennstoffzelle 24' wird das Wasser mit der Pumpenstufe
12 b
durch eine Leitung 56 in den Speicher 32' gedrückt. Die
Pumpenstufe 12 b wird durch einen Elektromotor 58 angetrieben. Es wird nicht
wie in F i g. 1
die Turbine zum Antrieb verwendet. Aus dem
Wasserspeicher 32' wird das Wasser über eine Leitung 60
in den Verdampfer
4' eingeführt.
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Der Energieumwandler kann vorwiegend im Weltraum verwendet werden,
da er praktisch gewichtslos ist. An einem Raumfahrzeug z. B. wird er mit einer Schwenkplatte
62 aufgehangen, die mit einem Zapfen 64 an den Streben 34 befestigt ist.
Die Platte 62 ist ihrerseits mit einem Bügel 66 an dem Raumfahrzeug
befestigt, z. B. mit einem Zapfen 68, der im rechten Winkel zu dem Zapfen
64 steht. Der Hohlspiegel wird durch geeignete Vorrichtungen immer in Richtung auf
die Sonne gedreht.
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Im Betrieb wird die Sonneneinstrahlung auf den Verdarnpfer konzentriert
und die gewonnene Energie wird zum Antrieb der Turbine 8' verwendet, die
den Generator 10' antreibt. Ein Teil der von dem Generator erzeugten Energie
wird an die Nutzlast geliefert und der Rest wird in der Elektrolytkammer zur Zersetzung
des Wassers verwendet, dessen Bestandteile in den Speichern 26' und
28' gelagert werden. Während des Betriebes der Turbine 8' wird der
Ab-
dampf in dem Kondensator 14' gekühlt und dann in den Verdampfer zurückgeführt.
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Trifft keine Sonnenstrahlung ein, trennt der Regler 18 die
Nutzlast 20 von dem Generator und die Brennstoffzelle 24' tritt in Tätigkeit.
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Trifft wieder Sonnenstrahlung auf den Hohlspiegel, wird das Wasser
aus dem Speicher 32' in die Elektrolytkammer 22 gepumpt. Geeignete Ventile
sind an der Einlaß- und Auslaßseite der Speicher 26 und 28 vorgesehen
und diese Ventile können mit dem Regler 18
verbunden werden, so daß eine fast
selbsttätige Regelung erreicht wird.