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Kraftmaschine
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auf der Basis der Betriebsstoffe Ammoniak und Wasser Die Erfindung
betrifft eine Kraftmaschine in Form eines Kleinmotors oder einer Kleinturbine für
die Ausnutzung von Wärmeenergie im Niedertemperaturbereich bis 70-100° C, insbesondere
für die Ausnutzung von Solarenergie.
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Anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie müssen mehrere Bedingungen erfüllen:
1. Die Vorrichtung muß Sonnenenergie in eine speicherbare sowie bequem und zweckmäßig
nutzbare Energieform umwandeln. Diese Energieform stellt die elektrische Energie
dar, die etwa sowohl in Akkumulatoren als auch z.B. in Form von durch Elektrolyse
erzeugtem Wasserstoff gespeichert werden kann, als auch vielfach direkt nutzbar
ist.
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2 Ein möglichst großer Teil der zum Betrieb der Anlage aufgewandten
Energie muß in eine nutzbare Energieform überführt werden, d.h., die Vorrichtung
muß einen möglicht hohen Wirkungsgrad besitzen.
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3 Anlagen zur Ausnutzung von Solarenergie müssen als Kleinanlagen
konstruiert werden da sie zumeist in Entwicklungsländern eingesetzt werden und dort
wegen der mangelnden Infrastruktur die Energieversorgung nur dezentral erfolgen
kann.
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Unter Berücksichtigung dieser Kriterien wurden bereits verschiedene
Möglichkeiten zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Sonnenenergie in Kleinanlagen
erprobt und ausgeführt.Hierbei wurden zwei grundsätzliche Wege beschritten: 1. Die
direkte Ausnutzung der Sonnenstrahlen durch Solarzellen. Diese ist sowohl in großem
sowie auch in kleinem Maßstab möglich. Die Grundlage der Solarzelle bildet der photoelektrische
Effekt.Die im Halbleitermaterial durch Solareinstrahlung freigewordene Elektronen
konzentrieren sich an verschiedenen Seiten einer sich im Halbleitermatrial ausbildende
Sperrschicht. Dies verursacht das Entstehen einer Spannung, die dann als elektromotorische
Kraft den die Solarzelle liefernden Strom erzeugt.
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Siliciumkristall sowie Cadmiumsulfid und Galliumarsenid können die
Grundlage des Halbleitermaterials darstellen.
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Dieses Verfahren zur Stromerzeugung erreicht einen Wirkungsgrad von
11-158 (Bernd Stoy, Wunschenergie Sonne, Energieverlag,3.Auflage, Heidelberg,November
1980, Seite 438 ff.).
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2. Wärmekleinkraftwerke mit einer Leistung zwischen 10 und 500 kW.Dabei
wird Wasser in Flachkollektoren erwärmt.
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In Wärmetauschern verdampft es danir Kältemittel (Freon, Frigen).
Der Kältemitteldampf treibt Turbinen an.
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Der Gesamtwirkungsgrad beträgt hierbei 2,5%.
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Bei einem anderen Projekt wird mit einem geschlossenen Wasserdampfkreislauf
gearbeitet.Die Wärme für den Dampferzeuger wird durch Parabolreflektoren zugeführt.Diese
Anlage besitzt einen Wirkungsgrad von 8% (Bernd Stoy, Wunschenergie Sonne, Energieverlag,3.Auflage,
Heidelberg, November 1980, Seite 432-433).
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Alle bisher konstruierten Systeme haben neben ihrem vergleichsweise
geringen Wirkungsgrad hohe Investitionskosten gemeinsam.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kosten von Solaranlagen
zu senken. Außerdem wird eine Steigerung des Wirkungsgrades angestrebt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zum Betrieb
einer Kraftmaschine nötigen Druckunterschiede durch die Absorbtion von Ammoniakgas
in Wasser erzeugt werden.
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Ammoniakgas löst sich unter einer Wärmeentwicklung von 8,4kcal/mol
in Wasser. Dabei löst sich bei einem Druck von einer At)(mosphäre und bei den nachfolgend
angegebenen Temperaturen folgende Menge Ammoniak in kg pro kg Wasss-er: Oo 200 300
400 500 600 700 800 0,88 O,S15 0,400 0,304 0,224 0,185 0,104 0,061 900 1000 0,026
Pro
Liter Wasser lösen sich demnach bei OOC 1176 Liter Ammoniak, bei 200C 702 Liter,
entsprechend einer 35% Lösung.
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Die Kraftmaschine, in Form eines Kolbenmotors oder einer I(leinturbineS
arbeitet, genauer ausgeführt, nach anschließend beschriebenem Prinzip In einem mit
Ammoniakgas gefüllten Zylinder wird Wasser mit der Temperatur von circa 20° Celsius
mit möglichst großer Oberfläche eingespritzt. Das Ammoniakgas mit dem druck von
einer AtXmosphäre wird vom Wasser absorbiert und verringert rasant sein Volumen.
Dadurch wird der Kolben entweder vom Luftdruck oder aber von auf der Gegenseite
des Kolbens in den Zylinder einströmenden Ammoniakgas in Bewegung gesetzt.
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Das so erhaltene Wasser-Ammoniakgemisch wird aus dem Zylinder gedrückt
und fließt zu einem Erhitzer, in dem der Ammoniak ausgetrieben wird. Das Ammoniak
strömt dann über einen Speicher, nachdem es einen Teil seiner Wärmeenergie an neu
aus dem Zylinder fließendes Wasser abgegeben hat, wieder in den Zylinder Das vom
Ammoniak befreite erhitzte Wasser wird abgeleitet, und gibt dabei ebenfalls einen
Teil seiner Energie an neu aus dem Zylinder kommendes Wasser - Ammoniakgemisch ab.
Frisches, etwa Grund-Fluß-oder Leitungswasser wird zum Betrieb des Motors herangeführt.
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Wird eine Turbine verwendet, so wird der nötige Druckunterschied dadurch
erzeugt, daß hinter der Turbine Ammoniakgas von Wasser absorbiert wird.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,daß
an Zylinder oder Turbine bei Betrieb der Anlage verhältnismäßig niedere Temperaturen
herrschen und daß somit die an das für diese Teile der Anlage verwendete Material
gestellten Ansprüche sinken.Damit wird die Solarananlage
insgesamt
kostenmäßig günstiger.Außerdem kann bei dem oben beschriebenem Verfahren mit einem
besonders günstigen Wirkungsgrad gerechnet werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Anwendung der oben beschriebenen
Kraftmaschine auf Solaranlagen sowie Abwärme im Niedertemperaturbereich bis 70-100°
C.Die Kraftmaschine kann mit einem Generator kombiniert und zur Erzeugung elektrischer
Energie eingesetzt werden.Diese kann sowohl direkt,als auch zur Erzeugung von Wasserstoff
als Speichermöglichkeit verwendet weden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist,daß die bei einer etwaigen
Wasserstoffspeicherung mit Metallhydriden freiwerdende Wärme ebenfalls zur Erhitzung
des in der Maschine erzeugten Wasser-Ammoniakgemisches verwendet werden kann.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist,daß die Temperatur des zur
Absorbtion verwendeten Wassers gegebenenfalls unter oder über 20"C liegen kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in schematischer Zeichnung
dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Die Figur zeigt den Kraftmaschinenblock 2 ,zu dem die vom Ammoniakspeicher
3 kommende Leitung 4 sowie die Wasser zubringende Leitung 1 führen.Vom Kraftmaschinenblock
weg führt die das in der Kraftmaschine entstandene Wasser-Ammoniakgemisch beinhaltende
Leitung 5.Sie mündet in Block 6 >wo dem Gemisch durch vom Haupterhitzer getrennt
in Leitungen zugeführtes Wasser und ausgetriebenes Ammoniakgas Wärme übertraRen
wird.Sodann fließt das Gemisch in den Vorerhitzer 7,
wo ihm durch
das Erhitzerteil 14 Abwärme,etwa aus einer Klimaanlage9der Temperatur bis 700C zugeführt
wird.Uber Leitung 11 und 12 wird das ausgetriebene Ammoniakgas dem Speicher 3 zugefthrtODas
verbliebene Wasser-Ammoniakgemisch wird über Leitung 8 dem flaupterhitzer 9 zugeleitet,der
über Kollektoren bis etwa 100°C erhitzt wird.Das ausgetriebene Gas wird über Leitung
10 Leitung 12 zugeführt und gibt einen Teil seiner Wärmeenergie bei Block 6 an neu
hinzuströmendes Gemisch ab.Uber Leitung 13 wird das von Ammoniakgas befreite Wasser
abgeleitet und gibt dabei ebenfalls einen Teil seiner Wärmeenergie an noch nicht
erhitztes Wasser-Ammoniakgemisch ab.
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