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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Wandlung von Wärme zu elektrischer
Energie, insbesondere auf die Verwendung gestapelter Schichten aus
dünnen
pyroelektrischen Folien mit einem Mittel, das abwechselnd heißes und
kaltes Fluid zu den Folien bringt. Eine neuartige Spannungsregler-Slavevorrichtung
für einen
magnetischen Näherungsschalter,
der an einem rotierenden Durchflussregler montiert ist, sorgt für eine Synchronisation
der zyklischen thermischen und elektrischen Beaufschlagung des pyroelektrischen
Wandlers.
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Stand der Technik
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Der
Einsatz von Kondensatoren mit temperaturabhängigen Dielektrika in pyroelektrischen
Systemen wird in den US-Patenten 4,220,906, erteilt am 2. September
1980 an Drummond, und 4,441,067, erteilt am 3. April 1984 an O'Hara, gelehrt. Beide
Patente zeigen die Geeignetheit solcher Systeme für den Betrieb
mit Abwärme
aus Industrieanlagen auf, z.B. aus Zellstoff- und Papierfabriken,
Stahlwerken, petrochemischen Anlagen, Glasherstellungsanlagen und
Elektrizitätswerken.
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Wird
die thermische Effizienz dadurch erhöht, dass mehr Wärme aus
der Abwärme
herausgezogen wird, steigen die Kosten für das Installieren von Extragerät zur zusätzlichen
Wärmenutzung
leider häufig
ins Unerschwingliche. Darüber
hinaus entstehen technische Schwierigkeiten, wenn eine große Menge
Wärme aus einem
Prozess herausgezogen wird; bei Planung eines Systems zur hocheffizienten
Rückgewinnung
von Wärme
aus Abgasen werden die Kondensation saurer Flüssigkeiten und die anschließende Korrosion
von Gerät zu
einem ernsthaften technischen Hindernis im Hinblick auf die Implementierung
von Modellen zur Abwärmenutzung.
Ferner ist bei niedriger Temperatur der Wärmequelle die für weitere
nutzbringende Arbeit verfügbare Wärme begrenzt,
und zwar durch die Effizienz des Carnot-Zyklus.
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Eine
pyroelektrische Folie kann als temperaturabhängiger Kondensator funktionieren;
wenn Wärme beaufschlagt
wird und seine Temperatur steigt, sinkt die Kapazität des Kondensators
(d.h. seine Fähigkeit
zur Speicherung von Ladung). Bei Erhöhung der Folientemperatur kann
die Ladung nicht länger
auf den Oberflächen
der Folie verbleiben und ist gezwungen, diese unter Abgabe elektrischer
Energie zu verlassen. Auf diese Weise wird die eingespeiste Wärme zu elektrischer
Ladung gewandelt.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt einen pyroelektrischen Wandlungszyklus,
der behandelt wird in Olsen, R. B., Brisco, J. M., Bruno, D. A.
und Butler, W. F.: „A
pyroelectric energy converter which employs regeneration", Ferroelectrics,
Band 38, S. 975–978
(1981) und in Olsen, R. B., Bruno, D. A. und Brisco, J. M.: „Pyroelectric
conversion cycle of vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer", J. Appl. Phys.
57(11), S. 5036 – 5042
(1985).
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Die
US-Patente 4,425,540 und 4,647,836, beide erteilt an Olsen, und
zwar jeweils am 10. Januar 1987 und am 3. März 1987, offenbaren eben jenen
Energiezyklus, der zur direkten Wandlung von Abwärme zu Elektrizität eingesetzt
werden kann und nachstehend als Olsen-Zyklus bezeichnet wird. Die thermische
Reaktion pyroelektrischer Folien wird mit extern geregelter Vorspannung
synchronisiert, um Wärmeenergie
zu elektrischer Energie zu wandeln. Dieser Olsen-Zyklus ist parallel
zu einer Wärmekraftvorrichtung
geschaltet.
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Ferroelektrische
Materialien, wie z.B. PZST (gesinterte Keramik aus Bleizirkonat,
Bleititanat und Bleistannat) und P(VDF-TrFE) (Copolymere aus Vinylidenfluorid-Trifluorethylen),
sind für
die pyroelektrische Wandlung geeignet (US-Patent Nr. 4,620,262,
Oktober 1986). Viele Monomere enthalten polare Gruppen. Zur Gewinnung
nützlicher
piezoelektrischer und auch pyroelektrischer Polymere sollten deren
Bestandteile nicht so sperrig sein, dass sie die Kristallisierung
der Makromoleküle
verhindern oder diesen (z.B. helikale) Formen aufzwingen, aus denen
eine extensive interne Kompensation der Polarisierung resultiert.
Das Fluoratom ist sehr klein, sein Van-der-Waals-Radius (1,35 Å) ist nur
geringfügig
größer als
jener des Wasserstoffs (1,2 Å),
und es bildet hochpolare Bindungen mit Kohlenstoff, und zwar mit
einem Dipolmoment von 6,4 × 10–30 Coulomb-Meter (=
1,92 Debye). Gängige
daraus hervorgehende Polyfluorkohlenstoffe sind Polyvinylidenfluorid
(PVF2), Polyvinylfluorid (PVF) und Polytrifluorethylen
(PF3D). Zu weiteren polaren Gruppen, aus
denen nützliche
piezoelektrische und pyroelektrische Polymere hervorgehen könnten, gehören die
C-C1-Bindung mit 2,1 Debye, die C-CN-Bindung mit 3,86 Debye und
C=C- -H-N, das eine hochpolare Wasserstoffbindung mit 3,59 Debye
enthält.
Wenn PVF2 abgekühlt wird, bildet es eine Anzahl
kristallisierter Phasen. Allerdings nehmen die Fluoratome ohne einen
Polarisierungsprozess größtenteils
trans- und gauche-Positionen ein, so dass die Gesamtpolarität neutral
bleibt. Die nützlichste
Phase ist als β-Phase
in PVF2 bekannt und lässt sich verstärken, indem ein
externes elektrisches Feld an eine gedehnte PVF2-Folie
gelegt wird.
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Copolymere
aus Vinylidenfluorid und Trifluorethylen P(VF2-TrFE),
die gewöhnlich
20 bis 30-Mol% TrFE enthalten, besitzen eine besonders nützliche
Eigenschaft. Wenn sie von ihren Schmelztemperaturen auf Raumtemperatur
abgekühlt
werden, bilden sie ohne Dehnung der Polymere eine β-artige Phase.
Der Grund dafür
ist, dass Trifluorethylen (CF2-CHF)n einen
größeren Anteil
der verhältnismäßig sperrigen
Fluoratome enthält
als PVF2, deren Molekülketten die tg+tg– -Konformation
nicht aufnehmen können
und deshalb gezwungen sind, direkt mit der stärker ausgedehnten all-trans-Konformation
zu kristallisieren. Außerdem
scheint das TrFE in der P(VF2-TrFE)-Kette
die „trans"-Form zu einem Grad
zu stabilisieren, der gerade geeignet ist für die konformationelle Veränderung
bei Aussetzung gegenüber
einem umgekehrten externen Feld.
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P(TrFE-VF2)-Copolymere mit 12,5 bis 85 Mol-% VF2 weisen immer das β-Phasen-Kristall auf (trans- oder trans-ähnliche
Konformation) und gehen durch beliebige Wärmebehandlungen nicht in die
nichtpolare α-Phase über. Insbesondere
jene Copolymere mit einem VF2-Anteil zwischen
65 und 80 Mol-% kristallisieren spontan zur (ferroelektrischen)
all-trans-β-Struktur
mit einem hohen Grand an Kristallinität, ohne dass gezogen werden
muss. Sie durchlaufen einen feroelektrischen Phasenübergang
bei einer Curie-Temperatur von 60°C bis
140°C mit
zunehmendem VF2-Gehalt.
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Die
wichtigsten Verfahrensparameter, welche die Energieabgabe einer
pyroelektrischen Folie bestimmen, sind die volumetrische Resistivität des pyroelektrischen
Materials, die Temperaturabhängigkeit
des pyroelektrischen Koeffizienten einer gegebenen Folie, die Spanne
der Temperaturzyklierung (die Spanne zwischen hohen und niedrigen
Folientemperaturen), die Breite der Betriebsspannungen (der Unterschied
zwischen Vhigh und Vlow)
und die Frequenz des Olsen-Zyklus.
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US-Patent
4,647,836 zeigt auf, dass die Effizienz des Gesamtsystems der pyroelektrischen
Wandlung mit dem Einsatz einer Wärmeregenerationstechnik
zunimmt; siehe auch Olsen, R. B. und Brown, D. D.: „High efficiency
direct conversion of heat to electrical energy-related pyroelectric
measurements", Ferroelectrics, Band
40, S. 17–27
(1982). Einer der wichtigen Parameter, der die Effizienz des Gesamtsystems
beeinflusst, ist die Regeneration verwendbarer Wärme. Es ist von entscheidender
Bedeutung, so viel Wärme
wie möglich zu
Elektrizität
zu wandeln, bevor die Wärme
bis zu einem nicht mehr nutzbaren Zustand abnimmt. Dies wird durch
Wärmeregeneration
ermöglicht.
Wenn pyroelektrische Folien Wärme
von einem Wärmefluid
mit einer höheren
Temperatur erhalten, steigt ihre Temperatur an. Auf diese Weise
werden sie selbst zu einer Wärmequelle
in Bezug auf Fluid mit einer niedrigeren Temperatur. Wenn sich diese
Abfolge wiederholt, kann eine gegebene Menge Wärme viele Male via die Anordnungen
pyroelektrischer Folien zwischen der Wärmequellentemperatur und der
Kühlkörpertemperatur
hin- und hergeführt
werden, bevor die Wärme
schließlich
abnimmt und das Hin- und Herführen
der Wärme
unmöglich
wird. Frühere
Entwürfe
waren sowohl sperrig als auch für schnelle
zyklische thermische Beaufschlagung ungeeignet, und zwar aufgrund
der reziproken Bewegung der Wärmeübertragungsfluide
in Wärmeübertragern,
in denen pyroelektrische Folien untergebracht sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bietet eine Vorrichtung zum Wandeln von Wärme zu elektrischer
Energie, wie in Anspruch 1 definiert. Darüber hinaus sind bevorzugte
Merkmale der erfinderischen Vorrichtung in den Ansprüchen 2 bis
8 genau festgelegt. Ferner stellt die Erfindung ein Verfahren zum
Wandeln von Wärme
zu elektrischer Energie zur Verfügung,
wie in Anspruch 9 definiert. Durch die Erfindung werden die Probleme
mit früheren
sperrigen Entwürfen überwunden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
Hystereseschleifen für
pyroelektrisches Material bei zwei verschiedenen Temperaturen;
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2 stellt
die Zeit dar, die ein Copolymer zur thermischen Reaktion auf einen
Temperaturveränderungsschritt
benötigt;
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3 und 4 veranschaulichen
die Struktur des pyroelektrischen Generators dieser Erfindung;
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5 erläutert einen
Durchflussregler, der sich in Verbindung mit der Vorrichtung aus 3 und 4 als
nützlich
erweist;
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die 6 bis 9 veranschaulichen
die Funktionsweise des pyroelektrischen Generators, die auf die Herstellung
des Synchronismus zwischen dem thermischen und dem elektrischen
Zyklus zielt; und
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die 10 bis 15 zeigen
die Abfolge der Schritte zur Spannungsregelung, die für den Betrieb
des pyroelektrischen Generators notwendig sind.
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Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
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1 erläutert, auf
welche Weise sich die Leistungsabgabe aus dem Olsen-Zyklus erzielen
lässt.
Kurve 11 stellt das Verhältnis von Ladung zu Spannung
bei hohen Temperaturen (TH) dar, wohingegen
Kurve 12 das Verhältnis
von Ladung zu Spannung bei niedrigen Temperaturen (TL)
zeigt. Die unterschiedlichen Kurven veranschaulichen Veränderungen
wichtiger Prozessparameter im Verlauf des Zyklus. Die Zahlen (1)
bis (4) entsprechen den vier Schritten der pyroelektrischen Energieerzeugung.
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Der
schattierte Bereich I repräsentiert
jene Energie, die zum Wiederaufladen der Folie bei niedriger Spannung
während
der Kühlschritte
(3) des Zyklus benötigt
wird. Während
die Folie bei niedriger Spannung abkühlt, nimmt die Ladung auf ihren
Oberflächen
infolge der intrinsischen Eigenschaften des Materials zu. Außerdem wird
die Wiederaufladung durch das Erhöhen der Spannung (Schritt (4))
erreicht. Der Energiebedarf für
diesen letzten Schritt ist durch den schattierten Bereich II veranschaulicht.
Bei richtiger Durchführung
des Zyklus stellt die mittels Bereich III angegebene elektrische
Energie die Nettoentladung durch die Folie dar.
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Die
Erfindung nutzt eine Anordnung gestapelter pyroelektrischer Folien.
Dadurch wird Vorteil aus der schnellen Wärmeübertragung gestapelter ultradünner Folien
gezogen, um die Vorrichtung kompakt zu gestalten. Eine komplette
Anordnung eignet sich, um eine schnelle thermische Reaktion und
eine hohe elektrische Leistung aus einem gegebenen Wärmeübertragungsbereich
in einem gegebenen Zeitraum zu erzielen.
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2 zeigt
die thermische Reaktion bezüglich
des Copolymers aus P(VDF-TrFE), wenn eine Folie von beiden ihrer
Oberflächenseiten
aus einem Schritt der Temperaturveränderung ausgesetzt wird. Diese
Figur veranschaulicht ein Verhältnis
zwischen der Dicke der gestapelten Folien und der Zeit, die benötigt wird,
um 95% der Gleichgewichtstemperatur in der Mitte des Folienstapels
zu erreichen. Falls sich die Gesamtdicke der gestapelten Folien
beispielsweise auf 250 Mikron beläuft, dauert es lediglich 0,4
Sek. (400 mSek.), bis die Temperatur in der Mitte 95% der Endtemperatur
erreicht. Wenn die Gesamtdicke der Folie unter 370 Mikron gehalten
wird, kann eine Reaktionszeit von unter 1 Sek. erzielt werden. Wird
von einer 25 Mikron dicken Folie ausgegangen, lassen sich beinahe
15 Folien stapeln, ohne dass die schnelle thermische Reaktion verlorengeht.
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Es
wurde herausgefunden, dass eine Wandlungseffizienz, die jene aus
früheren
theoretischen Analysen um mehrere Größenordnungen übertrifft,
möglich
ist, wenn externe Spannung eingesetzt wird, um das Laden pyroelektrischer
Folien bei niedriger Temperatur und niedriger Spannung sowie deren
Entladen bei hoher Temperatur und hoher Spannung zu steuern. Zusätzlich wird
ein Wärme-„Regenerations"-Verfahren angewandt,
um die Wirksamkeit der Wärmenutzung
zu steigern. Gemäß diesem
Verfahren wird im ersten pyroelektrischen Element zurückgeworfene
Wärme benutzt,
um das zweite pyroelektrische Element und nachfolgende Elemente
in kaskadierender Weise zu erhitzen. Wenn beispielsweise die Wärmequelle
bei 70°C
und der Kühlkörper bei
30°C liegt
und zwischen diesen beiden Temperaturen bei den eingefügten pyroelektrischen
Elementen Veränderungen
um 10°C
bewirkt werden, also von 70 auf 60, von 60 auf 50, von 50 auf 40
und von 40 auf 30°C,
steigt die Temperatur des Kühlwassers
(des Kühlkörpers) entsprechend
von 30°C
auf 40°C,
von 40°C auf
50°C und
von 50°C
auf 60°C.
Obwohl die pyroelektrischen Elemente eine Gesamttemperaturveränderung von
70°C auf
40°C erfahren,
entspricht der Gesamtwärmeabfall
nur einer Verringerung von 70°C
auf 60°C,
da die Temperatur des letzten herausfließenden Kühlwassers 60°C erreicht
und eine geringfügig
verschlechterte Wärmequelle
ersetzen kann.
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Diese
besonderen Strukturen der Erfindung besitzen den Vorteil, dass sie
das Wärmeübertragungsfluid
zu den pyroelektrischen Folien bringen, ohne die Richtung von heißem und
kaltem Fluid umzukehren. Das System dieser Erfindung macht sich
den abwechselnden Fluss von heißem
und kaltem Wasser über
die Stapel aus pyroelektrischen Folien zunutze. Während das
heiße
Wasser über
die Oberfläche
eines Stapels aus pyroelektrischen Folien fließt, steigt die Folientemperatur
an. Anschließend
kühlt das
kalte Wasser, wenn das heiße Wasser
abgestellt und das System auf kaltes Wasser umgestellt ist, die
Folien und nimmt gleichzeitig Wärme aus
den Folien auf. Bei Wiederholung dieser Abfolge fungieren pyroelektrische
Folien als Medium zum Hin- und Herfuhren von Wärme, indem sie Wärme zwischen
Strömen
von heißem
und kaltem Wasser aufnehmen und abgeben.
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Die
erfindungsgemäßen Folien
können
Rückseite
an Rückseite
gestapelt werden, wobei die Notwendigkeit einer elektrischen Isolierung
zwischen den Folien entfällt. Überdies
ermöglicht
das Stapeln einer geraden Anzahl pyroelektrischer Folien Rückseite
an Rückseite,
dass die Spannung an den nach außen gewandten Oberflächen der
pyroelektrischen Folien niedrig ist.
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3 veranschaulicht
die Struktur eines ortsfesten Plattengenerators dieser Erfindung.
Durchgezogene Linien zeigen den Zustand „Durchfluss" an und gepunktete
Linien den Zustand „Kein
Durchfluss". Wie
aus dieser Figur ersichtlich, besteht jede Stufe aus einer ersten
Gruppe 31 in der linken Kolonne und einer zweiten Gruppe 32 in
der rechten Kolonne. Zusätzlich
setzt sich jede Gruppe (jede Kolonne) aus vielen Plattengeneratoreinheiten
zusammen, die ausgehend vom oberen Teil der Kolonne als erste, zweite,
dritte Einheit, etc. nummeriert sind. In einem vollständigen System
nimmt mit wachsender Stufenzahl die Anzahl der Plattengeneratoreinheiten
bis hin zur letzten Stufe ab, die nur eine verbleibende Generatoreinheit
umfasst.
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Beim
ortsfesten Betriebsmodus verteilt sich der Betrieb des Systems auf
zwei Zeitraumhälften.
In der ersten Zeitraumhälfte
wird die erste Einheit 31 der Gruppe aus Stufe 1 mit der
richtigen Menge an heißem
Wasser gefüllt.
Warmes Wasser, das sich zuvor in dieser Einheit befand, wird zur
ersten Einheit 32 der zweiten Gruppe aus Stufe 1 hinübergedrückt. Das
weniger warme Fluid, das in dieser Einheit war, wird weiter hinunter zur
zweiten Einheit 33 der ersten Gruppe in Stufe 1 geschoben.
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Dieser
Ablauf wiederholt sich, bis das kalte Wasser in der letzten Einheit
der ersten Gruppe in Stufe 1 hinüber
zu Stufe 2 als Kühlkörper gedrängt wird.
Dies ist möglich,
da ausgehend von der ersten Einheit an der Spitze der ersten Gruppe
(Kolonne) eine Temperaturverteilung bis hin zur letzten Einheit
am Ende der ersten Gruppe besteht. Das heiße Wasser, das in Stufe 1 einfließt, verlässt diese
als kaltes Wasser und ist daraufhin in Stufe 2 als Kühlkörperfluid
von Nutzen. Darüber
hinaus sollte beachtet werden, dass sich Stufe 2 in einem Kaltwasserzyklus
befindet, wenn Stufe 1 in einem Heißwasserzyklus ist.
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4 veranschaulicht
die zweite Zeitraumhälfte.
Nach der ersten Zeitraumhälfte
sind die Temperaturen in allen Einheiten in Stufe 1 um die Hälfte der
Spanne einer entwickelten Temperaturzyklierung angestiegen. In der
zweiten Zeitraumhälfte
wird der Fluss zu Stufe 1 auf Kaltwasserfluss umgeschaltet. Dieses
Umschalten beendet den gesamten Abwärtsfluss einer Kühlkörperflüssigkeit
und kehrt den Fluss um, wobei die Kühlkörperflüssigkeit nach oben fließt. Bei
dieser Gestaltung bleibt die Flussrichtung in einer gegebenen Einheit
die gleiche, obwohl die Wärmequelle
und der Kühlkörper einander
abwechseln. Auf diese Weise wird das Fluid im Innern der Einheit
durch einströmendes
Fluid verlagert.
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Bei
Kombination zweier Zeitraumhälften
besteht ein Merkmal der Systemgestaltung darin, dass es in allen
Einheiten zu einem gleichzeitigen Zyklieren der Temperatur kommt,
obwohl weder der eine noch der andere Fluss vollständig von
der Spitze der Gruppe zum Ende der Gruppe gelangt. Dies ist der
Fall, weil die Anordnungen aus pyroelektrischen Folien als eine
Art Shuttle zwischen Kühlkörper und
Kühlquelle
fungieren, ohne ihre Position physisch zu verändern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
können
zwei dieser Systeme eingesetzt werden, so dass zu keiner Zeit eine
Unterbrechung des Heiß-
und Kaltwasserflusses auftritt; dies ist von Vorteil bei Vorbeugung eines
Energieverlusts durch eine momentane Veränderung der An/Aus-Zyklen.
Bei den in 3 und 4 gezeigten
Generatoreinheiten muss es sich nicht um physisch unabhängige Einheiten
handeln; sie können
separate Folienanordnungen sein, die in ausreichendem Maß von benachbarten
Folienanordnungen zu trennen sind, was die Aufnahme des Wärmeübertragungsfluids
und entsprechende separate elektrische Verbindungen betrifft.
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Das
Umschalten und die Synchronisation des Flusses werden durch einen
in 5 dargestellten Synchronisationsschalter 51 (bzw.
eine Hochgeschwindigkeits-Wasserfluss-Regeleinrichtung) geregelt, der aus einem
Rohr 52 konstruiert ist, mit welchem drei Leitungen verbunden
sind. Ein solider Halbzylinder 53 rotiert in dem Rohr,
wobei er Auslass 54 und 55 abwechselnd blockiert.
In der ersten Zeitraumhälfte
fließt
das Wasser aus Auslass 54 heraus, und in der zweiten Zeitraumhälfte fließt das Wasser
aus Auslass 55 heraus. Ein magnetischer Näherungsschalter
ist an der rotierenden Welle angebracht und sendet elektrische Signale,
um den Betrieb elektrischer Schaltungen für den Olsen-Zyklus zu synchronisieren.
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Die
Funktionsweise des pyroelektrischen Generators lässt sich in vier Schritte gliedern,
welche dem Olsen-Zyklus entsprechen, was in den 6 bis 9 veranschaulicht
ist. Während
der ersten Hälfte
des Leistungserzeugungszyklus fließt heißes Wasser in den pyroelektrischen
Wandler 63 vom Plattentyp. Thermische Energie aus dem heißen Wasser,
das über
die Folien fließt,
wird absorbiert und zu elektrischer Energie gewandelt. Die elektrische
Energie entlädt
sich mit hoher Spannung durch eine ohmsche Last zwecks Durchführung nützlicher
Arbeit. Dieser Schritt entspricht A-B aus 6. Ein magnetischer
Näherungsschalter 61 wird
zusammen mit einem Spannungsregler 62 verwendet, um zu
gewährleisten,
dass die zyklische thermische und elektrische Beaufschlagung der
Folien synchronisiert werden.
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Sobald
die Temperatur der Folien in ausreichendem Maß zugenommen hat, wird die
durch sie gelegte Spannung gesenkt und den heißen Folien die Möglichkeit
gegeben, sich weiter zu entladen. Dieser Schritt entspricht B-C
aus 7.
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Im
Verlauf der zweiten Hälfte
des Wandlungszyklus fließt
kaltes Wasser in den Wandler. Jene Folien, die während der ersten Hälfte des
Zyklus erhitzt wurden, werden repolarisiert, während sie bei niedriger Spannung
abgekühlt
werden. Dieser Schritt entspricht C-D aus 8.
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Daraufhin
wird die Spannung der kalten Folien in Vorbereitung auf den nächsten Zyklus
erhöht.
Dieser Schritt entspricht D-A aus 9.
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Wie
zuvor dargelegt, wird eine externe Regelspannung zur Durchführung des
Olsen-Zyklus benötigt. Allerdings
ist bei richtiger Durchführung
des Olsen-Zyklus die von den Folien abgegebene elektrische Energie stets
größer als
die eingespeiste elektrische Energie. Um die passende zyklische
thermische und elektrische Beaufschlagung der pyroelektrischen Folien
zu erhalten, ist der Spannungsregler 62 für den effizienten
und sicheren Betrieb eines pyroelektrischen Wandlers notwendig.
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Es
erfolgt die Beschreibung eines Verfahrens zur Steuerung der zyklischen
elektrischen Beaufschlagung zweier Foliengruppen, die eine Zeitraumhälfte lang
unsynchronisiert unter Verwendung einer Quelle variabler hoher Spannung
und einer Quelle konstanter niedriger Spannung in Zyklen thermisch
beaufschlagt werden. Das unsynchronisierte zyklische Beaufschlagen
zweier Foliengruppen während
einer Zeitraumhälfte
ermöglicht
eine regelmäßigere Abgabe
elektrischer Energie. Die Schritte 1 bis 4 erläutern die erste Zyklushälfte, und
die Schritte 5 bis 8 beschreiben die zweite Zyklushälfte. Nun
wird auf die 10-13 Bezug
genommen.
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Schritt 1: Erhitzen und Abkühlen der
Folien (10)
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Die
erste Foliengruppe entlädt
sich von Elektrizität,
während
sie unter extern angelegter hoher Spannung erhitzt wird. Diese Elektrizität leistet
nützliche
Arbeit, da sie bei hoher Spannung eine ohmsche Last 103 speist.
Die zweite Foliengruppe wird erneut aufgeladen, während sie
abgekühlt
wird. Die Aufladeenergie wird von der Quelle konstanter niedriger
Spannung zugeleitet. Verbindungen werden so angelegt, dass die Aufladeenergie
nicht durch die ohmsche Last 103 dissipiert wird, wobei
natürlich
jene des inneren Widerstands der Quelle ausgenommen ist. Dieser
Schritt, der beinahe den halben Zyklus lang dauert, geht langsam
vonstatten, weil er bei einer Veränderung der Folientemperatur
abläuft.
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Schritt 2: Spannungssenkung (11)
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Nachdem
die erste Foliengruppe genügend
Zeit zum Aufwärmen
hatte, löst
ein magnetischer Näherungsschalter
den Spannungsregler aus, der seinerseits der Quelle 101 variabler
hoher Spannung das Signal gibt, ihre Spannung zu senken, was der
ersten Foliengruppe ermöglicht,
sich weiter zu entladen. Dieser Schritt lässt sich sehr rasch durchführen, und
die Temperatur der Folien verändert
sich während
der Spannungssenkung nicht erheblich. Mit der zweiten Foliengruppe
geschieht nichts.
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Schritt 3: Umschalten bei niedriger Spannung
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Das
Umschalten erfolgt bei niedriger Spannung, um Funkenbildung zu vermeiden
und den sicheren Betrieb des Wandlers zu gewährleisten. Um besser verständlich zu
machen, in welcher Weise das Umschalten vorgenommen wird, werden
nachstehend Unterschritte und zusätzliche Diagramme erläutert. Dieser
elektronische Schritt kann sehr schnell ausgeführt werden, und der thermische
Zyklus hat keine Möglichkeit
voranzuschreiten, was in den Figuren durch den Punkt auf den Schaubildern
zur Gegenüberstellung
von Ladung und Spannung und durch die stillstehende Uhr dargestellt
ist.
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Schritt 3-A: Spannungsmessungen (12)
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Bevor
das Umschalten stattfindet, ist es wichtig zu überprüfen, dass die Spannung der
Quelle 101 hoher Spannung die Zeit hatte zu sinken. Der
Verstärker
variabler hoher Spannung muss das Überwachen der Spannungsausgabe
ermöglichen.
Wenn die überwachte
Spannung innerhalb 98% der konstanten niedrigen Spannung liegt,
wird das Umschalten als sicher eingestuft. Bevor das Umschalten
erfolgt, ist die Position der Relais zu beachten.
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Schritt 3-B: Offene Relais (13)
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Sobald
die Spannung auf einen sicheren Pegel gesunken ist, besteht die
Möglichkeit,
das Umschalten an den beiden Foliengruppen vorzunehmen. Für diesen
Verwendungszweck erweisen sich Quecksilber-Reed-Relais als nützlich.
Es ist wichtig, alle der Relais zu öffnen und lange genug zu warten,
um zu gewährleisten,
dass sie die Zeit hatten, sich vollständig zu öffnen, und dass das Quecksilber
aufgehört
hat zu schwappen. Typischerweise benötigen diese Relais annähernd 2
bis 3 mSek., um zur Ruhe zu kommen.
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Schritt 3-C: Schließen einiger Relais (14)
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Nachdem
gewartet wurde, bis sich alle Relais geöffnet haben, ist es nun möglich, das
tatsächliche
Umschalten sicher durchzuführen.
Das Umschalten erfolgt dadurch, dass einige der Relais geschlossen
werden, wohingegen die anderen geöffnet bleiben. Vorgenommen
wird das Umschalten bei niedriger Spannung, um elektrische Funkenbildung
zu vermeiden und so eine lange Lebensdauer der Relais zu gewährleisten.
Eine Verzögerung
von annähernd
10 mSek. im Anschluss an das Umschalten ermöglicht den Relais, vor dem nächsten Schritt
zur Ruhe zu kommen.
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Schritt 4: Spannungserhöhung (15)
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Sobald
die Verbindungen zu den Foliengruppen umgeschaltet worden sind,
wird die Spannung an der zweiten Foliengruppe auf eine hohe Spannung
gesteigert. Nun ist die zweite Foliengruppe vollständig geladen und
zur Erzeugung von Elektrizität
bereit.
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Die
erste Hälfte
des Zyklus ist jetzt abgeschlossen. Die nächsten vier Schritte, welche
die zweite Hälfte des
Zyklus beschreiben, unterscheiden sich von den zuvor erläuterten
Schritten nur dadurch, dass die erste Foliengruppe nun abgekühlt wird,
wohingegen sie während
der ersten Hälfte
des Zeitraums erhitzt wurde; demgegenüber wird die zweite Foliengruppe
erhitzt anstatt abgekühlt.
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Schritt 5: Abkühlen und Erhitzen von Folien
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Die
erste Foliengruppe wird nun wieder aufgeladen, während sie unter niedriger externer
Spannung abgekühlt
wird. Die zweite Foliengruppe entlädt sich von elektrischer Energie
unter ohmscher Last, während sie
erhitzt wird. Dieser Schritt ist mit Schritt 1 identisch, außer dass
jetzt die erste Foliengruppe abgekühlt wird, wohingegen sie in
Schritt 1 erhitzt wurde, und dass die zweite Foliengruppe nun erhitzt
anstatt abgekühlt
wird. Erneut ist beinahe die Hälfte
des Zeitraums für
diesen Schritt erforderlich, da die Temperatur der Folien verändert werden
muss.
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Schritt 6: Spannungssenkung
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Sobald
sich die Temperatur der Folien verändert hat, wird die extern
an die erhitzten Folien gelegte Spannung gesenkt, um eine weitere
Entladung zu ermöglichen.
Dieser Schritt geht sehr schnell vonstatten und ähnelt Schritt 2.
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Schritt 7: Umschalten bei niedriger Spannung
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Schritt 7-A: Spannungsmessungen
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Wenn
die Quelle hoher Spannung auf 98% der Spannung der konstanten niedrigen
Spannung zurückgegangen
ist, ermöglicht
die Schaltung, dass das Umschalten stattfindet.
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Schritt 7-B: Öffnen der Relais
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In
diesem Schritt werden alle der Schalter geöffnet, und eine Verzögerung wird
zugelassen, um sicherzustellen, dass alle der Relais die Zeit hatten,
sich zu öffnen,
und dass das Quecksilber vollständig
aufgehört hat
zu schwappen.
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Schritt 7-C: Schließen einiger Relais
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Das
Umschalten erfolgt durch Schließen
der entsprechenden Relais.
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Schritt 8: Spannungserhöhung
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Die
erste Foliengruppe wird vollständig
wieder aufgeladen, indem die extern angelegte Spannung auf Vhigh erhöht
wird. Jetzt ist der pyroelektrische Zyklus abgeschlossen und kann
wiederholt werden.
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Um
Leitungsverluste zu verringern, müssen der Zyklierzeitraum so
weit wie möglich
verkürzt
und pyroelektrische Copolymere mit hohem spezifischen Widerstand
ausgewählt
werden. Ein geringer Grad an Temperaturzyklierung resultiert in
erheblichen Leitungsverlusten. Der Grund dafür ist, dass die elektrischen
Leitungsverluste für
einen gegebenen Zykluszeitraum und eine gewählte Spannung konstant sind,
aber die Abgabe der Folie an elektrischer Energie in direktem Verhältnis zur
Spanne der Temperaturzyklierung steht. Folglich erreichen elektrische
Leitungsverluste einen großen
Prozentanteil der Abgabe elektrischer Energie, wenn die Spanne der
Temperaturzyklierung gering ausfällt.
Wird die Spanne der Temperaturzyklierung der Folie verringert, werden
die Leitungsverluste schließlich
größer als
die Abgabe elektrischer Energie in Abhängigkeit von verschiedenen
Parametern, wie z.B. Spannung, Zyklierzeitraum, Material, etc.
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Elektrische
Verluste lassen sich durch Erhöhen
des spezifischen Widerstands des Materials reduzieren. Dies ist
möglich,
indem der VDF-Gehalt in P(VDF-TrFE) gesteigert wird. Beispielsweise
besitzt P(VDF-TrFE)-73/27 einen spezifischen Widerstand, der größer ist
als jener von 52/48. Somit sind für einen gegebenen Zykluszeitraum
und eine gegebene Temperaturzyklierung die elektrischen Verluste
von P(VDF-TrFE)-73/27 geringer als jene von 52/48. Dies gilt, obgleich
die Abgabe elektrischer Energie von 73/27 ungefähr 40% geringer ist als jene
von 52/48 (d.h. der pyroelektrische Nullfeld-Koeffizient von 73/27
ist um 40% geringer als jener von 52/48). Es ist zu beachten, dass
der spezifische Widerstand in hohem Maße temperaturabhängig ist
und dass der Curie-Punkt von 73/27 bei etwa 125°C liegt, also viel höher als
bei 52/48, wo er sich bei ungefähr
65°C befindet.
Bei gleicher Temperatur ist der spezifische Widerstand von P(VDF-TrFE)-73/27
sehr viel höher
(bei 60°C
etwa sechzigmal) als von 52/48.
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Typische
Konfigurationen für
pyroelektrische Wandler sind nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt:
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Leistungsverluste
im Fluidstrom hängen
insbesondere sowohl vom Abstand ab, der die Platten trennt, als
auch von der volumetrischen Strömungsrate.
Basierend auf Berechnungen des Leistungsverlusts scheint der beste
Abstand für
die Platten zwischen 3 mm und 5 mm zu liegen.
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Bezüglich der
Auswahl des Folienmaterials wurde aufgezeigt, dass nach über 67 Millionen
elektrischen Zyklen mit 60 Hz, einer hohen Spannung von 50 MV/m
und einer Temperatur von 100°C
die elektrischen Eigenschaften einer Copolymerprobe stabil blieben
und keine erfassbare Verschlechterung beobachtet wurde. Dies entspricht
dem Anlegen von 1250 V an 25 μm
dicke pyroelektrische Folien über
einen Zeitraum von mehr als zwei Jahren bei 1 Hz. Die gleiche pyroelektrische
Folie blieb auch nach 388 Millionen Zyklen unter gemäßigteren Bedingungen intakt (20 und 30 MV/m und
60 Hz bei Raumtemperatur), was mehr als 12 Jahren kontinuierlicher
Verwendung entspricht.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Verschiedene
Klassen von Industriewärme
wurden an die Umwelt verschwendet, weil sich die Rückgewinnung
oder Wandlung der Abwärme
für nützliche
Zwecke durch Hinzunahme von Extragerät wenig wirtschaftlich gestaltete.
Normalerweise ist Abwärme
aus Abgas, Betriebswasser und Kühlwasser
mit einer Temperatur zwischen 25°C
und 250°C
verfügbar.
Zum Beispiel geben typische thermo-mechanische Zellstoff- und Papierfabriken überschüssige Energie
als Heißwasser
mit einer Temperatur zwischen 50°C
und 100°C
ab.
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Zu
jenen Industrieanlagen, die verschiedene Klassen von Abwärme ausgeben,
zählen
Kraftwerke, Verbrennungsanlagen, Zellstofffabriken, Raffinerien
und chemische Anlagen. Da der pyroelektrische Wandler dieser Erfindung
Polymerfolien nutzt, ist die Betriebstemperatur auf unter 125°C begrenzt,
was solchen Wärmequellen
mit niedrigen Gradzahlen entspricht. Beispielsweise sind Verbrennungsanlagen
gewöhnlich
an von dicht besiedelten Gebieten entfernten Orten errichtet, was
die effiziente Nutzung von Abwärme
erschwert. Die Energieerzeugung vor Ort unter Verwendung eines pyroelektrischen
Wandlersystems stellt eine praktische Lösung dar. Ähnlich befinden sich auch Zellstofffabriken
an abgelegenen Orten, so dass es schwierig ist, Abwärme zu nutzen,
ohne sie zu elektrischer Energie zu wandeln.
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Mittels
dieser Erfindung kann Abwärme
zu einer hochwertigen Form von Energie, wie z.B. Elektrizität, gewandelt
werden, was einzig auf wirtschaftlichen Erwägungen basierend zur Verbesserung
der Nutzungseffizienz von Ressourcen beiträgt.
