DE69600762T2

DE69600762T2 - Verbesserter magnetohydrodynamischer elektrogenerator

Info

Publication number: DE69600762T2
Application number: DE69600762T
Authority: DE
Inventors: James C. Brossard Quebec Hayes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1996-02-07
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2016-02-08
Also published as: CN1178038A; CN1104086C; CA2210528A1; WO1996024982A1; DE69600762D1; CA2210528C; RU2150778C1; US5633541A; EP0808528A1; AU4532796A; EP0808528B1

Description

Hintergrund der Erfindung

a) Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten magnetohydrodynamischen (MHD) elektrischen Generator und auf seine Verwendung in einer Hybridmaschine zur Umwandlung der thermischen Energie von Brenn- oder Treibstoff und/oder der in Luft gespeicherten thermischen Energie in elektrische Energie mit einem hohen thermodynamischen Wirkungsgrad und mit einer hohen Rate an Energieumwandlung.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung des MHD- Generators und der Hybridmaschine, die in dem US-Patent 4 500 803 offenbart ist, das am 19. Februar 1985 auf den Namen des vorliegenden Erfinders erteilt wurde.

b) Kurze Beschreibung des Standes der Technik

das obenerwähnte US-Patent 4 500 803 offenbart einen MHD-Generator, bei dem ein in einem geschlossenen Zyklus strömendes Gas durch einen Laser photoionisiert und durch ein Magnetfeld geleitet wird, um Elektrizität zwischen zwei Elektroden zu erzeugen, die senkrecht zu der Gasströmung bzw. zu dem Magnetfeld stehen. Der zur Photoionisation des Gases des MHD-Generators verwendete Laser ist ein Gaslaser, der eine divergierende Düse zum Hervorrufen eines Laserns des Gases durch Ausdehnung mit einem Hochfrequenzgenerator kombiniert, um ein Lasern des Gases durch elektrische Stimulation hervorzurufen. Der Gaslaser umfaßt weiterhin ein optisches System zum Sammeln des Laserlichtes und zum Fokussieren dieses Lichtes auf die Gasströmung strömungsaufwärts von den Elektroden und dem Magnetfeld. Dieses optische System schließt ein erstes Paar von Spiegeln strömungsaufwärts bzw. strömungsabwärts der Gasströmung zur Fokussierung des Laserlichtes in der axialen Richtung der Gasströmung ein. Es schließt weiterhin ein optisches Teilsystem zum Sammeln des Laserlichtes in einer Richtung quer zur Gasströmung und ein weiteres Paar von fokussierenden Spiegeln zum Fokussieren des von dem Teilsystem gesammelten Laserlichts in einer Richtung quer zur Gasströmung ein. Ein Wärmetauscher ist zum Erhitzen des Gases vorgesehen, bevor dies durch die Elektroden hindurchströmt. Weiterhin ist ein Kompressor vorgesehen, um das Gas durch den geschlossenen Zyklus zirkulieren zu lassen.
Das US-Patent 4 500 803 beschreibt weiterhin die Kombination des oben erwähnten MHD-Generators mit einer üblichen, im offenen Zyklus betriebenen Brennstoffmaschine. Die resultierende Struktur bildet eine Hybridmaschine zur Umwandlung der thermischen Energie eines Brennstoffes und/oder der in Luft gespeicherten thermischen Energie in elektrische Energie mit einem hohen thermodynamischen Wirkungsgrad und einer hohen Rate von Energieumwandlung. Bei dieser speziellen Kombination umfaßt die im offenen Kreislauf betriebene Brennstoffmaschine in Serie eine Verbrennungskammer, durch die hindurch Luft und Brennstoff verbrannt werden, den Wärmetauscher des MHD-Generators und eine Wärmemaschine zum Betrieb des Kompressors des MHD-Generators.

Zusammenfassung der Erfindung

Nach weiteren Studien und Versuchen, die an dem in dem oben erwähnten Patent offenbarten MHD-Elektrogenerator durchgeführt wurden, hat der vorliegende Erfinder in überraschender Weise festgestellt, daß diese frühere Erfindung hinsichtlich des Wirkungsgrades beträchtlich verbessert werden könnte, wenn das durch die elektrische Stimulation, Wärmeinduktion und/oder Gasexpansion erzeugte kohärente Licht gesammelt und in Richtung auf das Gasplasma fokussiert wird, das sich zwischen den Magneten und den die Elektrizität sammelnden Platten bewegt. Der Erfinder hat weiterhin festgestellt, daß beträchtliche Verbesserungen außerdem erzielt werden, wenn die Zusammensetzung der Laser-Gas- Mischung in geeigneter Weise gesteuert und eingestellt wird, um den im Betrieb unvermeidbaren Verlust zu kompensieren, wenn einige der Gasmoleküle, insbesondere CO&sub2;, dissoziiert werden.
Somit wird gemäß der Erfindung ein magnetohydrodynamischer (MHD-) elektrischer Generator geschaffen, der einen S-förmigen Kanal aufweist, dessen eines Ende als ein Einlaß für eine Laser- Gas-Mischung dient, die unter Druck bei einer Temperatur, die höher als 1100ºC ist, eingespeist wird. Der Kanal weist drei mit Abstand voneinander angeordnete Abschnitte auf, die sich quer über eine gemeinsame Achse und entlang dieser erstrecken.
Der erste dieser Abschnitte liegt nahe an dem Einlaß und erstreckt sich quer über die gemeinsame Achse. Er ist so ausgelegt, daß er eine erste Laser-Erzeugungszone bildet, in der die Laser-Gasmischung zum Lasern gebracht wird. Der erste Abschnitt ist weiterhin so ausgelegt, daß er einen ersten optischen Hohlraum mit einem ersten Paar von gegenüberliegenden Spiegeln bildet, die mit der gemeinsamen Achse ausgerichtet und so eingestellt sein, daß sie von ihnen gesammeltes kohärentes Licht fokussieren. Einer der Spiegel dieses ersten Paares, nämlich derjenige, der benachbart zu dem zweiten der Abschnitte liegt, ist ein teilreflektierender Spiegel, damit das in der ersten Zone erzeugte und gesammelte Licht auf den zweiten und den dritten dieser Kanalabschnitte entlang der gemeinsamen Achse übertragen werden kann.
Der zweite Abschnitt des Kanals liegt an einer divergierenden Düse vorbei strömungsabwärts des ersten Abschnittes und erstreckt sich ebenfalls quer über die gemeinsame Achse. Dieser zweite Abschnitt bildet eine zweite Lasererzeugungszone, in der die Laser-Gasmischung durch Ausdehnung zum Lasern gebracht wird. Dieser zweite Abschnitt ist weiterhin so ausgelegt, daß er einen zweiten optischen Hohlraum bildet, der ein zweites Paar von gegenüberliegenden Spiegeln aufweist, die mit der gemeinsamen Achse ausgerichtet und so eingestellt sind, daß sie das von ihnen gesammelte kohärente Licht fokussieren. Beide Spiegel des zweiten Paares sind teilreflektierende Spiegel, um es dem in der ersten Zone gesammelten kohärenten Licht zu ermöglichen, in die zweite Zone einzutreten und das in der zweiten Zone gesammelte kohärente Licht zu verstärken, wobei das so verstärkte kohärente Licht zu dem dritten Abschnitt des Kanals übertragen werden kann.
Der dritte Abschnitt des Kanals ist mit der gemeinsamen Achse ausgerichtet und so gerichtet, daß er auf die ersten und zweiten Abschnitte dieses Kanals gerichtet ist. Dieser dritte Abschnitt ist so ausgelegt, daß er einen dritten, in Axialrichtung langgestreckten optischen Hohlraum bildet, der ein drittes Paar von Spiegeln, 35 und 39, aufweist, die mit der gemeinsamen Achse ausgerichtet und so eingestellt sind, daß sie das von den ersten und zweiten Zonen kommende kohärente Licht auf einen an einer Axialposition liegenden Punkt fokussieren, wodurch die durch den dritten Abschnitt hindurchströmende Gasmischung ionisiert und damit in ein Plasma umgewandelt wird. Einer der Spiegel dieses dritten Paares, nämlich derjenige, der dem zweiten Abschnitt des Kanals benachbart ist, ist ein teilreflektierender Spiegel, um es dem kohärenten Licht zu ermöglichen, in den dritten Abschnitt einzutreten.
Der MHD-Elektrogenerator umfaßt weiterhin eine Vielzahl von Permanentmagneten, die sich entlang des dritten Abschnittes des Kanals erstrecken. Jeder Magnet weist positive und negative Pole auf, die symmetrisch bezüglich der gemeinsamen Achse angeordnet sind.
Der MHD-Elektrogenerator umfaßt weiterhin eine Vielzahl von Elektrizität auffangenden Platten, die sich entlang des dritten Abschnittes des Kanals erstrecken. Diese Platten sind in Paaren gruppiert, die symmetrisch bezüglich der gemeinsamen Achse positioniert sind, so daß sie senkrecht sowohl zu der durch den dritten Teil des Kanals entlang der gemeinsamen Achse strömen den Gasmischung als auch zu den Magneten sind. Jede der Platten ist mit einer Last verbindbar und haltert eine Wicklung, die ebenfalls mit der Last verbindbar ist.
Wenn im Betrieb eine Gasmischung in den Kanal eingespeist und in dessen ersten und zweiten Abschnitten zum Lasern gebracht wird, so wird Elektrizität in dem dritten Abschnitt des Kanals erzeugt, in einer sehr wirkungsvollen Weise durch eine übliche magnetohydrodynamische Wirkung und gleichzeitig durch den Faraday-Effekt.
Der erste Abschnitt des Kanals kann betriebsmäßig mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden sein, um ein Lasern der Gasmischung durch elektrische Stimulation durch eine Hochfrequenzinduktion in dem ersten Abschnitt oder durch schlichte elektrische Entladung zu bewirken.
Der erste Abschnitt des Kanals kann weiterhin betriebsmäßig mit einem Gasbrenner verbunden sein, um ein Lasern der Gasmischung 20 durch Brennen zu bewirken.
In vorteilhafter Weise kann der MHD-Generator weiterhin eine Gasregeleinrichtung aufweisen, die zumindest einen Gassensor einschließt, der sich in dem Kanal befindet, um die Zusammensetzung der Gasmischung zu prüfen und ein Signal zu dessen Regelung zu liefern. Eine derartige Regeleinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die in den Einlaß des Kanals eingespeiste Laser-Gas-Mischung so eingestellt ist, daß sie von 88 bis 89% N&sub2;, von 8 bis 10% CO&sub2; und weniger als 4% H&sub2;O enthält.
Gemäß der Erfindung wird weiterhin eine Hybrid-Kraftmaschine zur Umwandlung der thermischen Energie von Brennstoff und/oder der in Luft gespeicherten thermischen Energie mit einem hohen thermodynamischen Wirkungsgrad und einer hohen Energieumwandlungsrate in elektrische Energie geschaffen. Diese Hybrid-Kraftmaschine umfaßt in Kombination:
(a) ein im geschlossenen Kreis betriebenes MHD-Elektrogeneratorsystem, das in Serie einen verbesserten MHD-Generator, wie er weiter oben offenbart wurde, und einen Kompressor umfaßt, um die Laser-Gas-Mischung in den MHD-Generator über einen Wärmetauscher einzuspeisen, wobei das System weiterhin einen Laser- Gaskammer-Generator zur Erzeugung der Laser-Gasmischung und zum Erhitzen dieser Laser-Gas-Mischung, den geschlossenen Kreis und einen Gaswäscher umfaßt, und
(b) eine im offenen Kreis betriebene Brennstoff-Kraftmaschine, die in Serie eine Verbrennungskammer, durch die hindurch Luft und Brennstoff verbrannt werden, den Wärmetauscher des MHD-Generatorsystems und eine Wärmekraftmaschine zum Betrieb des Kompressors des MHD-Generatorsystems umfaßt.
Die Erfindung wird besser beim Lesen der folgenden, nicht beschränkenden Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsformen hiervon verständlich, die anhand der beigefügten Zeichnungen erfolgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines verbesserten MHD-Generators gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das den MHD-Generator nach Fig. 1 mit den anderen Elementen zeigt, die zu seinem Betrieb erforderlich sind,
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Einlasses eines verbesserten MHD-Generators gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Hybrid- Kraftmaschine, die den MHD-Generator nach Fig. 2 mit einer Brennstoff-Kraftmaschine kombiniert.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, soll der magnetodynamische (HHG-) Elektrogenerator 1 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer Laser-Gas-Mischung gespeist werden, die vorzugsweise aus 88 bis 89% N&sub2; und von 8 10% CO&sub2; besteht, wobei der Rest H&sub2;O ist. Eine derartige Laser- Gasmischung kommt von einer Laser-Gasquelle 3, die aus einem (nicht gezeigten) Speichertank oder aus einem Brenner bestehen kann, in dem C&sub6;H&sub6; mit N&sub2;O verbrannt wird, oder in dem C&sub6;H&sub1;&sub0; oder C&sub6;H&sub1;&sub2; mit Luft verbrannt wird. Diese Art von Laser-Gasmischung ist für ihren Wirkungsgrad bekannt, und die Art, wie sie industriell erzeugt werden kann, ist in der Technik bekannt und muß nicht weiter beschrieben werden.
Die von der Laser-Gasquelle 3 kommende Laser-Gasmischung tritt in einen Kompressor 5 ein, der sie in den MHD-Generator 1 unter einem Druck von ungefähr 140 Psi (ungefähr 10 atm) einspeist. Der Kompressor 5 wird durch eine externe Leistungsquelle betrieben, wie dies weiter unten beschrieben wird. Vor dem Eintritt in den MHD-Generator durchläuft die den Kompressor 5 verlassende Laser-Gasmischung einen Wärmetauscher 7, dessen Zweck darin besteht, die Mischung auf eine Temperatur von mehr als 1100ºC aufzuheizen, wenn dies erforderlich ist, nämlich dann, wenn die Laser-Gasmischung, die von der Laser-Gasquelle 3 und dem Kompressor 5 kommt, nicht bereits auf einer Temperatur liegt, die ausreicht, um den erforderlichen Laser-Wirkungsgrad zu erzielen.
Die Laser-Gasmischung, die den MHD-Generator 1 verläßt, durchläuft eine Wärmekraftmaschine 9, die eine Turbine oder eine Sterling-Maschine sein kann. Der Zweck dieser Wärmekraftmaschine 9 besteht im wesentlichen darin, so viel Energie wie möglich aus der Laser-Gasmischung zurückzugewinnen, die den MHD-Generator 1 verläßt, und diese rückgewonnene Energie zurück auf den Kompressor 5 über eine Kraftantriebswelle 11 zu übertragen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 1 ist zu erkennen, daß der MHD-Generator gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen S-förmigen Kanal 13 mit einem Einlaß 15 aufweist, durch den hindurch die ausgewählte Laser-Gasmischung mit der erforderlichen Temperatur und dem erforderlichen Druck eingespeist wird. Aufgrund dieser Form weist der Kanal 13 drei mit Abstand voneinander angeordnete Abschnitte auf, die mit 17, 19 bzw. 21 bezeichnet sind und die sich quer über eine gemeinsame Achse 'A' und entlang dieser erstrecken.
Der erste Abschnitt 17 liegt nahe an dem Einlaß 15 und erstreckt sich quer über die Achse 'A'. Er ist so ausgelegt, daß er eine erste Laser-Erzeugungszone bildet, in der die Laser-Gasmischung durch elektrische Stimulation oder durch Hochfrequenz- (RF-) Induktion zum Lasern gebracht wird, die mit einem Hochfrequenzgenerator 23 gewonnen wird, der mit einem Ringlaserhohlraum, einem gekrümmten Spiegelhohlraum oder einem Lochpaar-Hohlraum gekoppelt ist. Diese Art von Geräten ist in der Technik gut bekannt und muß hier nicht weiter beschrieben werden. Der erste Abschnitt 17 des Kanals ist weiterhin so ausgebildet, daß er einen ersten optischen Hohlraum bildet. Zu diesem Zweck umfaßt der erste Abschnitt 17 zwei gegenüberliegende Spiegel 25 und 27, die wassergekühlt sein können und die mit der Achse A ausgerichtet und so eingestellt sind, daß sie das kohärente Licht fokussieren, das sie sammeln. Der Spiegel 25 auf der Oberseite des S-förmigen Kanals ist ein einfacher Spiegel. Der Spiegel 27, der auf den Spiegel 25 gerichtet ist, ist ein teilreflektierender Spiegel, der ein sphärischer Brewster-Glas-Spaltspiegel sein kann, der als Transversalmoden-Laserausgang und Mikrowelleneinstelleinrichtung dient. Dieser Spiegel 27 ermöglicht es dem kohärenten Licht, das zwischen den Spiegeln 25 und 27 in dem ersten Abschnitt 17 des Kanals erzeugt wird, in der Querrichtung gesammelt und in Richtung auf die zweiten und dritten Abschnitte 19 und 21 des Kanals übertragen zu werden, wie dies nunmehr erläutert wird.
Die den ersten Abschnitt 17 des Kanals 13 verlassende Laser- Gasmischung strömt dann durch eine divergierende Düse 29, die sich strömungsaufwärts von dem zweiten Abschnitt 19 des Kanals erstreckt. Das sich durch diese Düse 29 hindurch ausdehnende Gas wird durch Ausdehnung in den zweiten Abschnitt 19 des Kanals zum Lasern gebracht, wodurch eine zweite Laser-Generatorzone erzeugt wird. Ähnlich wie die erste Zone ist diese zweite Laser-Generatorzone so ausgebildet, daß sie einen zweiten optischen Hohlraum bildet. Zu diesem Zweck umfaßt sie zwei gegenüberliegende teilreflektierende Spiegel 31 und 33, die mit der Achse A ausgerichtet und so eingestellt sind, daß sie das von Innen gesammelte Licht strömungsabwärts von der divergierenden Düse 29 fokussieren. Diese teilreflektierenden Spiegel 31 und 33 sind lichtleitend und können außerdem wassergekühlt sein. Sie ermöglichen es dem kohärenten Licht, das in der ersten Zone erzeugt wird, durch diese hindurchzulaufen und somit das kohärente Licht in der zweiten Laser-Generatorzone zu 'verstärken'.
Schließlich erreicht die den zweiten Abschnitt 19 verlassende Laser-Gasmischung den dritten Abschnitt. 21 des S-förmigen Kanals, der im Gegensatz zu den ersten und zweiten Abschnitten und 19 nicht quer zur Achse A verläuft, sondern mit dieser ausgerichtet ist, und der so gerichtet ist, daß er auf diese ersten und zweiten Abschnitte gerichtet ist, wie dies klar in Fig. 1 gezeigt ist. Der dritte Abschnitt 21 ist wiederum so ausgebildet, daß er einen dritten, in Axialrichtung langgestreckten optischen Hohlraum bildet. Zu diesem Zweck umfaßt er zwei gegenüberliegende Spiegel 35 und 37, die mit der Achse A ausgerichtet und so eingestellt sind, daß sie das von den ersten und zweiten Laser-Generatorzonen kommende kohärente Licht auf einen Punkt 39 fokussieren, der selbstverständlich auf der Achse A liegt. Selbstverständlich muß der Spiegel 35, der benachbart zu dem zweiten Abschnitt 19 liegt, lichtleitend sein, um es dem kohärenten Licht zu ermöglichen, in den dritten Abschnitt 21 einzutreten. Der andere Spiegel 37 kann ein einfacher Spiegel sein, und beide Spiegel können wassergekühlt sein, wenn dies erforderlich ist.
Wie dies gezeigt ist, sind die Seiten des dritten Abschnittes 21 des Kanals 13 mit einer Vielzahl von Permanentmagneten 41 ausgekleidet, deren positive und negative Pole symmetrisch bezüglich der Achse A positioniert sind. Die Seiten des dritten Abschnittes 21 des Kanals sind weiterhin mit einer Vielzahl von Wicklungen halternden Platten 43 ausgekleidet, die vorzugsweise in Segmente unterteilt sind und sich in Paaren erstrecken, die symmetrisch bezüglich der Achse 'A' angeordnet sind.
Wie es nunmehr verständlich ist, wird der Punkt 39 durch das gesamte kohärente Licht erzeugt, das in den ersten und zweiten Abschnitten 17 und 19 des Kanals gesammelt und fokussiert und dann in Form eines zu der Achse A koaxialen Laserstrahls in den dritten Abschnitt 21 des Kanals über die Spiegel 27, 31, 33 und 35 übertragen wird. Der durch Fokussieren des Laserstrahls mit den Spiegeln 35 und 37 erzielte Punkt oder Brennfleck 39 ionisiert das sich durch diesen dritten Abschnitt 21 entlang der Achse A bewegende Gas und erzeugt somit ein Plasma, das zwischen den Magneten und den Platten 43 hindurchläuft, die sich senkrecht zueinander und zu der Achse A erstrecken. Dies führt andererseits zu der Erzeugung von Elektrizität durch übliche magnetohydrodynamische Wirkung, wobei der erzeugte Strom von den Platten 43, die senkrecht sowohl zur Gasströmung als auch zu den Magneten 43 sind, gesammelt, und einer (nicht gezeigten) Last zugeführt wird.
Wie dies weiterhin verständlich ist, kann sich das Plasma, das von dem Brennfleck 39 erzeugt wird, der seinerseits von dem in den dritten Abschnitt 21 des Kanals eintretenden Laserstrahl erzeugt wird, sich entlang der Achse A in Richtung auf die Laserquelle bewegen (nämlich in Richtung auf die ersten und zweiten optischen Hohlräume, die durch die ersten und zweiten Abschnitte 17 und 19 des Kanals gebildet sind). Diese Bewegung des Plasmas in Richtung auf den Laserstrahl ist von besonderem Interesse, weil sie eine zusätzliche Elektrizität durch den Faraday-Effekt erzeugt. Diese zusätzliche Elektrizität wird in den die Platten 43 umgebenden Wicklungen gesammelt und ebenfalls an die Last geliefert.
Wie dies weiterhin verständlich ist, ändert sich die Leitfähigkeit des Plasmas mit der Temperatur und verläuft von transparent zu lichtundurchlässig. Im letzteren Fall ergibt sich kein Energieeintritt, um die Struktur des Plasmas aufrechtzuerhalten, das dann wieder transparent wird. Dann wird ein neuer Brennfleck gebildet und dieser beginnt an der Grenze, sich erneut vorwärts zu bewegen. Dies wird selbstverständlich dauernd wiederholt, während der MHD-Generator in Betrieb ist. Damit macht die spezielle Struktur des MHD-Generators 1 es möglich, daß sich der Fleck 39 innerhalb des dritten Abschnittes 21 des Kanals bewegt. Weil jede Bewegung des Flecks 39 notwendigerweise entlang der Achse A erfolgt wird dauernd zusätzliche Energie durch den Faraday-Effekt erzeugt, wie dies weiter oben erläutert wurde. Wenn dies erforderlich ist, können auch Speicherkondensatoren vorgesehen sein, um den Gegenstrom zu neutralisieren, wenn sich der Fleck rückwärts bewegt.
Um so viel Energie wie möglich zu erzeugen, ist es wichtig, daß die Dichte des durch den dritten Abschnitt 21 des Kanals strömenden Gasmischung hoch ist. Um eine derartige Forderung zu erfüllen, kann entweder der Durchmesser des dritten Abschnittes des Kanals kleiner gemacht werden, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, oder es können ein oder mehrere zusätzliche Gasinjektoren 44 am Einlaß des dritten Abschnittes vorgesehen sein, um die Menge des durch diesen Abschnitt strömenden Gases zu vergrößern. In vorteilhafter Weise können derartige Injektoren so angeordnet sein, daß sie das Gas in der Nähe der Innenwand des dritten Abschnittes injizieren, um so die Magnete und die Sammelplatten 'abzuschirmen'.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, ist es wichtig, daß die Laser-Gasmischung von 88 bis 89% N&sub2;, von 8 bis 10% CO&sub2; und weniger als 4% H&sub2;O enthält, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Im Betrieb wurde festgestellt, daß sich die Zusammensetzung der Laser-Gasmischung mit der Zeit erheblich ändern kann, insbesondere dann, wenn die Gasmischung im Umlauf verwendet wird, weil der die CO&sub2;-Moleküle 'treffende' Laserstrahl diese zerlegt. Um sicherzustellen, daß die Zusammensetzung der in den MHD-Generator 1 eingespeisten Laser-Gasmischung richtig bleibt, kann eine Gassteuereinrichtung 45 verwendet werden, die ein oder mehrere Gassensoren einschließt, die in dem Kanal 13 zwischen den ersten und zweiten Abschnitten 17 und 19 des Kanals angeordnet werden können, um die Menge an CO&sub2; und/oder N&sub2; und/oder H&sub2;O zu prüfen, die in der Zusammensetzung enthalten ist, und um die Laser-Gasquelle 3 entsprechend einzustellen (s. Fig. 2).
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 3 ist zu erkennen, daß der MHG-Elektrogenerator 1' gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sehr ähnlich zu dem ist, die in Fig. 1 gezeigt ist. Aus diesem Grunde wurden die gleichen Bauelemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet. Tatsächlich besteht der einzige Unterschied zwischen dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform und der ersten Ausführungsform in der Art der Einrichtungen, die dazu verwendet wird, ein Lasern der Gasmischung in der ersten Laser-Erzeugungszone zu bewirken, die durch den ersten Abschnitt 17 des Kanals 13 gebildet ist. Anstelle einer elektrischen Stimulation der Gasmischung wird die Gasmischung durch die Hitze stimuliert, die durch die Flamme 47 eines Gasbrenners 49 (s. Fig. 4) in dem ersten optischen Hohlraum erzeugt wird. Diese alternative Technik ist besonders von Interesse, weil:
(1) sie keine Elektrizität erfordert und daher nicht den resultierenden elektrischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems beeinflußt,
(2) sie sicherstellt, daß das in den Generator 1 eintretende Gas sich auf der erforderlichen erhöhten Temperatur befindet, wodurch es wahlweise gemacht wird, einen Wärmetauscher 7 zu haben, der strömungsaufwärts von dem MHD-Generator befestigt ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, und
(3) sie zur Einstellung und/oder Korrektur der Konzentration der Laser-Gasmischung verwendet werden kann, wodurch die Steuerung der Laser-Gasquelle 3 durch das Gassteuersystem 45 optional gemacht wird.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, wird das Gas unabhängig von der ausgewählten Ausführungsform der Erfindung durch den Kanal 13 des MHD-Generators durch den Kompressor 5 in Umlauf versetzt, der von einer externen Leistungsquelle betrieben wird. Das die Wärmekraftmaschine 9 verlassende Gas kann weiterhin zu der Laser-Gasquelle 3 recycelt werden, um eine geschlossene Schleife oder einen Kreis 51 (s. Fig. 4) zu bilden. In einem derartigen Fall kann ein Gaswäscher 53, der sich zu der Atmosphäre hin öffnet, vorgesehen sein, um sicherzustellen, daß die Menge des Gases innerhalb des geschlossenen Kreislaufs selbst dann konstant bleibt, wenn zusätzliches Gas durch die Laser- Gasquelle oder den Brenner in diese eingeführt wird, um die Konzentration der Laser-Gasmischung einzustellen, die in den MHD-Generator eintritt. In jedem Fall ist es verständlich, daß in diesem Fall der thermodynamische Wirkungsgrad des Systems verglichen mit bekannten Generatoren sehr gut ist, weil das Gas in einem geschlossenen Kreis umläuft.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung, der in Fig. 4 gezeigt ist, kann die externe Leistungsquelle, die zum Betrieb des Kompressors 5 erforderlich ist, in vorteilhafter Weise aus einer in offenem Kreis betriebenen Brennstoff-Kraftmaschine bestehen, die die thermische Energie von Brennstoff und/oder Luft in einem offenen Kreis als Leistungsquelle für den Kompressor 5 und als Quelle für die Wärme für den Wärmetauscher 7 verwendet.
Diese im offenen Kreis betriebene Brennstoffmaschine kann einen Lufteinlaß 55 aufweisen, über den Luft von außen eingeleitet wird. Diese Luft kann bereits eine darin gespeicherte thermische Energie von einem Solarkollektor, einem Windkollektor oder von beiden haben. Es kann jedoch auch nur einfache Luft sein.
Diese Luft wird über einen Kompressor 57 in eine Verbrennungskammer 59 gesandt, in der sie mit Brennstoff verbrannt wird, wenn die Luft nicht genügend gespeicherte Energie hat. Die Verbrennungskammer 59 ist mit dem Wärmetauscher 7 verbunden oder enthält diesen, in dem die in dem geschlossenen Kreis 51 umlaufende Laser-Gasmischung erhitzt wird. Der Brennstoff wird der Verbrennungskammer von einem (nicht gezeigten) Speichertank über eine Brennstoffleitung 61 zugeführt, wie dies an sich bekannt ist. Das die Verbrennungskammer 59 verlassende heiße Verbrennungsgas und/oder Luft wird einer Wärmekraftmaschine 63 zugeführt, die aus einer Turbine oder einer Sterling-Maschine bestehen kann, um Energie zum Betrieb des Kompressors 57 abzuleiten. Die abgeleitete Energie wird weiterhin zum Betrieb des Kompressors 5 des geschlossenen Kreises 51 über eine Antriebswelle verwendet.
Es sei bemerkt, daß, wenn Turbinen als Wärmekraftmaschinen verwendet werden, alle die Kompressoren und Turbinen in vorteilhafter Weise auf der gleichen Welle 11 befestigt werden können, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, und beide Kreise können gleichzeitig durch Starten des Motors 65 gestartet werden, der ebenfalls auf der gleichen Welle 11 befestigt ist. Es sei weiterhin bemerkt, daß die Abgase und/oder Luft von der Wärmekraftmaschine 63 außerdem dazu verwendet werden können, die ankommende Luft des Kreises über einen zusätzlichen Wärmetauscher 67 aufzuheizen, um wiederum den Wirkungsgrad der Hybrid-Kraftmaschine zu vergrößern.
Die vorstehend beschriebene Hybrid-Kraftmaschine ist sehr wirkungsvoll bei der Umwandlung der thermischen Energie von Brennstoff und/oder der in Luft gespeicherten thermischen Energie in elektrische Energie. Weil die Temperatur des Laserlichtes verglichen mit der Abgastemperatur hoch ist, ist der thermodynamische Wirkungsgrad hoch.
Weiterhin wird, wenn Brennstoff in einer externen Verbrennungskammer 59 verbrannt wird, die Temperatur und der Druck der Kraftmaschine gesteuert. Somit kann auch die Umweltverschmutzung gesteuert und verringert werden. Es kann irgendein Brennstoff verwendet werden, selbst Kohle, was die Erfindung insbesondere in bestimmten Ländern nützlich macht, in denen Kohle ohne weiteres zur Verfügung steht, während dies für Elektrizität nicht zutrifft. Wenn Kohle als Wärmequelle in der Verbrennungskammer verwendet wird, kann das Abgas nicht direkt der Wärmeturbine zugeführt werden, weil Funkenflug die Schaufeln beschädigen würde. Somit würde in diesem Fall ein Luft verwendender Wärmetauscher zur Übertragung der Wärmeenergie auf die Turbine und den Kompressor verwendet.
Die vorstehend beschriebene Kraftmaschine ist in ihrer Größe leicht skalierbar. Daher kann sie Leistung von Watt bis Megawatt abgeben.
Selbstverständlich können verschiedene Änderungen hinsichtlich der Form, Größe und Anordnung der Teile der Kraftmaschine vorgenommen werden. Beispielsweise können äquivalente Elemente für die hier gezeigten und beschriebenen verwendet werden, und Teile können vertauscht werden. Weiterhin können bestimmte Merkmale der Erfindung unabhängig von der Verwendung von anderen Merkmalen verwendet werden, und zwar alles ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Magnetohydrodynamischer (MHD) elektrischer Generator (1) mit:

(a) einem S-förmigen Kanal (13), dessen eines Ende als ein Einlaß (15) für eine Laser-Gasmischung dient, die unter Druck bei einer Temperatur, die höher als 1100ºC ist, eingespeist wird, wobei der Kanal weiterhin drei mit Abstand voneinander angeordnete Abschnitte (17, 19, 21) aufweist, die sich quer über eine und entlang einer gemeinsamen Achse (A) erstrecken,

- wobei der erste (17) der Abschnitte nahe an dem Einlaß (15) liegt und sich quer über die gemeinsame Achse erstreckt, wobei der erste Abschnitt so ausgelegt ist, daß er eine erste Laser-Erzeugungszone bildet, in der die Laser- Gasmischung zum Lasern gebracht wird, wobei der erste Abschnitt weiterhin so ausgelegt ist, daß er einen ersten optischen Hohlraum mit einem ersten Paar von gegenüberliegenden Spiegeln (25, 27) bildet, die so mit der gemeinsamen Achse (A) ausgerichtet und eingestellt sind, daß sie das von ihnen gesammelte Licht fokussieren, wobei einer der Spiegel (27) des ersten Paares, nämlich derjenige, der benachbart zu dem zweiten der Abschnitte liegt, ein teilreflektierender Spiegel ist, damit das in der ersten Zone erzeugte und gesammelte Licht auf den zweiten (19) und den dritten (21) der Abschnitte entlang der gemeinsamen Achse (A) übertragen werden kann,

- wobei der zweite (19) der Abschnitte an einer divergierenden Düse (19) vorbei strömungsabwärts des ersten Abschnittes liegt und sich ebenfalls quer über die gemeinsame Achse (A) erstreckt, wobei der zweite Abschnitt eine zweite Lasererzeugungszone bildet, in der die Laser-Gasmischung durch Ausdehnung zum Lasern gebracht wird, wobei der zweite Abschnitt ebenfalls so ausgelegt ist, daß er einen zweiten optischen Hohlraum bildet, der ein zweites Paar von gegenüberliegenden Spiegeln (31, 33) bildet, die so mit der gemeinsamen Achse (A) ausgerichtet und eingestellt sind, daß sie das von Ihnen gesammelte kohärente Licht fokussieren, wobei beide Spiegel des zweiten Paares teilreflektierende Spiegel sind, um es dem in der ersten Zone (17) gesammelten Licht zu ermöglichen, in die zweite Zone (19) einzutreten und das in der zweiten Zone gesammelte kohärente Licht zu verstärken, wobei das so verstärkte kohärente Licht zu dem dritten Abschnitt (21) des Kanals übertragen wird,

- wobei der dritte (21) der Abschnitte mit der gemeinsamen Achse (A) so ausgerichtet und gerichtet ist, daß er auf die ersten und zweiten Abschnitte des Kanals gerichtet ist, wobei der dritte Abschnitt so ausgelegt ist, daß er einen dritten in Axialrichtung langgestreckten Hohlraum bildet, der ein drittes Paar von Spiegeln (35, 39) aufweist, die mit der gemeinsamen Achse (A) so ausgerichtet und eingestellt sind, daß sie das von den ersten und zweiten Zonen (17, 19) kommende kohärente Licht auf einen an einer Axialposition liegenden Punkt fokussieren, wodurch die durch den dritten Abschnitt hindurchströmende Gasmischung ionisiert und damit in ein Plasma umgewandelt wird, wobei einer (35) der Spiegel des dritten Paares, nämlich derjenige, der dem zweiten Abschnitt des Kanals benachbart ist, ein teil reflektierender Spiegel ist, um es dem kohärenten Licht zu ermöglichen, in den dritten Abschnitt (21) einzutreten,

einer Vielzahl von Permanentmagneten (41), die sich entlang des dritten Abschnittes (21) des Kanals erstrecken, wobei die Magnete positive und negative Pole aufweisen, die symmetrisch bezüglich der gemeinsamen Achse (A) angeordnet sind, und

einer Vielzahl von Elektrizität auffangenden Platten (43), die sich entlang des dritten Abschnittes (21) des Kanals erstrecken, wobei die Platten in Paaren gruppiert sind, die symmetrisch bezüglich der gemeinsamen Achse positioniert sind, so daß sie senkrecht sowohl zu der durch den dritten Teil des Kanals entlang der gemeinsamen Achse strömenden Gasmischung als auch zu den Magneten sind, wobei jede der Platten mit einer Last verbindbar ist und eine Wicklung haltert, die ebenfalls mit der Last verbindbar ist,

wodurch in dem dritten Abschnitt (21) des Kanals Elektrizität in einer sehr wirkungsvollen Weise durch eine übliche magnetohydrodynamische Wirkung und gleichzeitig durch den Faraday-Effekt erzeugt wird.

2. Verbesserter MHD-Generator nach Anspruch 1, bei dem der erste Abschnitt (17) des Kanals mit einem Hochfrequenzgenerator (23) verbunden ist, um ein Lasern der Gasmischung durch elektrische Stimulation oder durch Hochfrequenzinduktion in dem ersten Abschnitt zu bewirken.

3. Verbesserter MHD-Generator nach Anspruch 1, bei dem der erste Abschnitt (21) des Kanals mit einem Gasbrenner (49) verbunden ist, um ein Lasern der Gasmischung durch Brennen zu bewirken.

4. Verbesserter MHD-Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der weiterhin eine Gasregeleinrichtung umfaßt, die zumindest einen Gassensor (45) einschließt, der sich in dem Kanal befindet, um die Zusammensetzung der Gasmischung zu prüfen und ein Signal zu deren Regelung zu liefern.

5. Verbesserter MDH-Generator nach Anspruch 4, bei dem der dritte Abschnitt (21) dess Kanals einen verengten Querschnitt aufweist, um die Dichte der durch den dritten Abschnitt hindurchströmenden Gasmischung zu vergrößern.

6. Verbesserter MHD-Generator nach Anspruch 4, bei dem der dritte Abschnitt des Kanals mit einem oder mehreren zusätzlichen Gasinjektoren (44) versehen ist, um die Menge des durch den dritten Abschnitt strömenden Gases zu vergrößern und die Sammelplatten (43) zu schützen.

7. Verbesserter MHD-Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die in den Einlaß des Kanals eingespeiste Laser- Gasmischung so eingestellt ist, daß sie von 88 bis 89% von 8 bis 10% CO&sub2; und weniger als 4% H&sub2;O enthält.

8. Hybrid-Kraftmaschine zur Umwandlung der thermischen Energie von Treibstoff und/oder der in Luft gespeicherten thermischen Energie in elektrische Energie mit einem hohen thermodynamischen Wirkungsrad und einer hohen Energieumwandlungsrate, die in Kombination folgende Teile umfaßt:

(a) ein im geschlossenen Zyklus betriebenes elektrisches MHD-Generatorsystem, das in Serie einen verbesserten MHD-Generator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einen Kompressor (5) umfaßt, um die Laser-Gasmischung über einen Wärmetauscher (7) in den MHD-Generator einzuspeisen, wobei das System weiterhin eine Laser-Gasquelle (3) zur Erzeugung der Laser-Gasmischung, Einrichtungen zur Einstellung der Konzentration der Gasmischung innerhalb des geschlossenen Zyklus und einen Gaswäscher (53) umfaßt, und

(b) eine im offenen Zyklus betriebene Treibstoff-Kraftmaschine, die in Serie eine Verbrennungkammer (59), durch die hindurch Luft und Treibstoff verbrannt werden, den Wärmetauscher (7) des MHD-Generatorsystems und eine Wärmekraftmaschine (63) zum Betrieb Betrieb des Kompressors (57) des MHD-Generatorsystems umfaßt.

9. Hybrid-Kraftmaschine nach Anspruch 8, bei dem die Treibstoff-Kraftmaschine weiterhin einen Luftkompressor (57) umfaßt, der ebenfalls durch die Wärmekraftmaschine (63) betrieben wird, um die der Verbrennungskammer (59) zugeführte Luft zu komprimieren.

10. Hybrid-Kraftmaschine nach Anspruch 9, bei dem die Wärmekraftmaschine (63) eine Turbine (63) ist, wobei diese Turbine, der Luftkompressor (57) und der Kompressor (5) des MHD-Generatorsystems auf der gleichen Welle (11) befestigt sind.

11. Hybrid-Kraftmaschine nach Anspruch 10, bei der das MHD- Generatorsystem eine Turbine (9) zur Rückgewinnung von Energie aus dem Gas und zur Lieferung der auf diese Weise rückgewonnenen Energie an den Kompressor (5) des MHD-Generatorsystems umfaßt, wobei die Turbine auf der gleichen Welle (11) wie der Kompressor (5) befestigt ist.