WO2008011877A2 - Vorrichtung und verfahren zur energieumwandlung - Google Patents

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WO2008011877A2
WO2008011877A2 PCT/DE2007/001328 DE2007001328W WO2008011877A2 WO 2008011877 A2 WO2008011877 A2 WO 2008011877A2 DE 2007001328 W DE2007001328 W DE 2007001328W WO 2008011877 A2 WO2008011877 A2 WO 2008011877A2
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Ralf Adelhelm
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Ralf Adelhelm
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/01—Handling plasma, e.g. of subatomic particles

Definitions

  • Dunning and Palmer have also proposed a high-temperature solar-electric converter and published theoretical and experimental results [Dunning 1981].
  • the concept is based on the absorption of solar radiation by a cesium plasma, which arises in the closed space under solar irradiation from the alkali metal vapor. Without describing a more accurate device, it is proposed to recover the electrical energy via a magnetohydrodynamic Rankine process.
  • the proposed MHD process is disadvantageous: it is necessary to generate an energy-carrying flow of the hot plasma, which is achieved by expansion and cooling in the MHD process. As a result, the plasma loses its local concentration and the efficiency-reducing energy discharge is favored.
  • thermodynamic cycle involving condensation and vaporization of the cesium
  • a heat reservoir with a cold reservoir will suitably be used connected, which brings all the technical problems and algorithmsradtiere of such a device with it.
  • a plasma photoelectric converter envisages absorbing the focused solar radiation in the alkali metal vapor of cesium and achieving charge carrier separation by means of ambipolar diffusion.
  • the converter is designed as a heat pipe in which a closed cycle of evaporation and condensation of the alkali metal occurs due to surface tensions.
  • a buffer gas is used to limit the alkali vapor and thus the clearing of the radiation entrance window and the increase of the diffusion coefficient.
  • the converter according to Gorbunov relies on the charge separation by ambipolar diffusion, as described by Wiesemann [Wiesemann 1976]. This concept is disadvantageous because the ambipolar diffusion also means energy transfer from the more mobile component (the electrons) to the slower ones (the ions).
  • Another major disadvantage of the converter is that there is no possibility to optimize the driving force "ambil polar diffusion" from the outside, to control or regulate, but only the structural arrangement of wall, electrodes and ionization source is responsible for the diffusion.
  • the plasma is produced by photoionization, achieved by the radiated optical radiation to be converted.
  • This is particularly disadvantageous for several reasons: i.
  • the ionization of an atom or molecule with solar radiation leads, even with the low ionization energies of the alkali metals, only to a low degree of ionization of the plasma.
  • the degree of ionization, that is the charge carrier density is, however, crucial for the internal resistance and thus for the efficiency of the converter, ii.
  • the ionization with a sufficient degree of ionization is not possible with solar radiation for most elements, in particular gases, since the ionization energy is not achieved with the solar spectrum.
  • a disadvantage of the prior art is in summary (1.) the low absorption of solar radiation with an alkali metal vapor and (2.) the low charge carrier generation by ionization and (3.) the weak charge separation process "ambipolar diffusion".
  • the radiation is absorbed in an electrically powered and burning in gas discharge optical plasma, then to bring about by means of magnetic or electromagnetic force, charge separation and the electrical energy so ohmic, inductive or capacitive to the plasma through a (typically secondary) circuit is taken.
  • the optical radiation to be converted into electricity from UV via VIS to IR may be artificial, preferably of solar origin.
  • high optical concentrations of solar radiation are possible, typically several thousand to ten thousand.
  • Multilevel ultra-high concentrations of non-imaging optics reach almost theoretical limits of the order of 100,000.
  • a typical "solar oven" in operation reaches irradiance levels of 15MW / m 2 with largely spectral distribution of the terrestrial solar spectrum with the exception of UV absorption by the optics [Flamant 2004]. 4.2
  • the serving as an absorber plasma is generated in electrical gas discharge.
  • the gas discharge of the energy-supplying (primary) electric circuit defines a "gas line" which is not formed geometrically as a line, but as a volume, in particular as a hose A stabilization of the gas line is effected by the solid wall, a liquid, a gas or liquid flow and in particular through the electrodes, partial and dependent, preferably independent, discharges are possible for producing the optical plasma.
  • An autonomous gas arc discharge is characterized by field emission, thermoemission, thermal field emission, electron impact ionization and thermal ionization.
  • the electroless gas line without charge carriers corresponds to the gas line in which a pure displacement current flows.
  • the dependent discharge corresponds to a gas line in which charge carriers are generated by external ionization. These charge carriers absorb energy from the field. When they diffuse to the wall and are discharged there, or when they elastically collide with gas molecules, this energy is released as heat. Therefore, the field is permanently deprived of energy (the gas line contains an effective resistance). If the charge carriers absorb both energy in the field that they can ionize, the energy flow rises to the wall or into the neutral gas. This corresponds to the partially independent discharge. Finally, if ionization becomes so strong that a finite charge carrier concentration in the gas line can be continuously maintained without foreign ionization, we speak of the ignition of an independent discharge. From this observation, it is clear that it is best to formulate the ignition condition as a function of the field strength [Wiesemann S253]. "This formulation is used for the gas discharge in the AC voltage and in the secondary gas line mentioned below.
  • the gas mixture of the plasma consists of elements such as heavy noble gases, alkali metals or elements such as sulfur, which evaporate, with a particularly large number of excitation levels, which typically have a high proportion of continuum radiation and are preferably optically dense in the discharge at the maximum number of frequencies.
  • the individual pressures of the gas species are chosen so that the total absorption of the plasma is maximized.
  • the sodium vapor lamp exhibits the property required for the converter to form a high absorption up to self-absorption under increasing vapor pressure and to be close to the spectral radiance of the corresponding black body (wall) in the corresponding spectral range.
  • an electrically powered optical plasma which burns in preferably autonomous gas discharge is provided as the absorber for optical radiation for the desired converter.
  • the plasma is not generated by photoionization, but is produced at the expense of electrical energy.
  • each optical plasma with arbitrary spectrum by energy input by optical radiation in its essential sizes of the number densities (and distributions) of molecules, atoms, ions and electrons and (local) temperatures, pressures , Mass distributions, heat distributions of the components are considered as absorbers. Not necessarily assumptions about balance and stability are included.
  • a geometrically formed hot core of the plasma has the highest densities and temperatures and the highest absorbency.
  • the plasma has to achieve a high emission of lines and continuum radiation in all wavelength ranges in order to likewise increase the absorption capacity of the plasma.
  • the solar energy can be transferred into the plasma (the arc) by means of the reversal process of the bremsstrahlung of a self-sufficient xenon arc discharge.
  • the production of gas discharge lamps has the same objective here: the highest possible emission coefficients of the continuum to strive for by the highest possible electron densities at the lowest possible
  • the technology of the gas discharge lamps serves as a model for the structural design.
  • the radiation sources are photometric and photometric
  • the serving as an absorber plasma should have a spectral emission coefficient, which causes an absorption coefficient, which depends on the optical radiation to be converted
  • the plasma is optically dense in all corresponding frequencies.
  • the absorption can be increased by technically easy-to-reach pressure increase.
  • thermodynamically favorable temperature is adjustable in terms of efficiency, for Carnot according to 2400-2600K
  • the essential properties of the plasma (of the absorber), such as location-dependent electron and ion concentrations, can be influenced by targeted formation of the electrodes and the environment,
  • Plasma in an ignited gas discharge possess an absorption associated with the emission, which can absorb gas discharge with continuum radiation photons whose
  • the independent gas discharge may have a negative differential resistance, which may be advantageous for the operating principle of the converter, in the case of DC operation, the plasma has a localized current flow, which allows to take this gas discharge distance in the further targeted electromagnetic influence, the electrical energy flow into the plasma at the same time the plasma
  • the charge separation is carried out by homogeneous and inhomogeneous magnetic or electromagnetic fields.
  • the gas discharge maintained with the primary circuit has an ordering structure with respect to the local distributions of all the characteristic quantities of the plasma.
  • the electron and ion flux is designed as planned by wall, electrodes, liquid, etc. in its geometry.
  • the magnetic fields can be generated by permanent magnets and preferably electromagnetically.
  • the magnetic field generating device for particular charge-separating, focusing and flow-conducting fields are created according to the prior art.
  • a (typically) second gas line is generated, which supplies an electric current for a consumer in a (secondary) electric circuit.
  • the resulting Hall and Faraday voltages can be controlled by selecting the magnetic field strength (s), and are preferably so high that a field emission of electrons on the second gas line is possible,
  • the aforementioned adjustability permits, in particular, a magnetic ignition for the autonomous discharge of the second gas line, ie for a short time a threshold value for current or voltage for triggering the autonomous discharge can be exceeded,
  • the energy flow of the first gas discharge into the second gas discharge is controllable
  • the conditions for the second gas line are selected such that they form an independent gas discharge and operate at the operating point of the current-voltage characteristic with constant or preferably negative differential resistance in order to carry away the highest charge quantity.
  • the plasma of a high pressure gas discharge of a commercial type xenon short arc lamp is used.
  • the gas xenon with the ionization energy of over 12eV is a poor candidate for photoionization.
  • xenon exhibits desired properties in the plasma of the gas discharge, in particular, these, to generate charge carriers at lower energies:
  • Xenon like neon, mercury, and other gases and vapors with a great many possible transitions, can be called a multi-level system.
  • the quasi-continuous emission spectrum is characterized by the "free-free transitions" and in particular the “free-bound transitions" in the visible and near-infrared. With emission of this radiation, it is also possible to absorb precisely this radiation with the reversal processes, the photon energies being significantly below the ionization energy.
  • the plasma becomes e.g.
  • the xenon gas discharge an absorber exactly the optical radiation of certain wavelength or certain frequency that it emits, since the emission is accompanied by the absorption as a reversal process.
  • the spectrum of the xenon gas discharge (multi-level system) is similar to that of the cavity radiation and it is also suitable for the absorption of solar radiation.
  • a commercial xenon short-arc high-pressure lamp or a high-pressure mercury vapor lamp can be considered as an embodiment of an absorber by almost complete mirroring of the piston walls and by coupling in optical (solar) radiation at a free point.
  • the environment of the plasma can be configured as the known ionization chambers [Kohlrausch] and plasma radiation sources, ideally a trapped radiation in the plasma chamber / discharge vessel to be held by reflection on the chamber walls (light trap). From the reversibility of each light path it must be calculated that a part of the trapped radiation to be minimized will leave the plasma and the entire system of energy conversion. The optimum conditions for this part of the radiation with respect to the radiation flux and in particular the radiation temperature are to be formed (Results of plasma spectroscopy, lamp construction, design of spatial distributions of the optical density, exploitation of the effects described below, etc.).
  • the plasma torches known in plasma spectroscopy and radiometry [Kohlrausch 96] are able to produce arc plasmas with spectral line emission from an optically thick layer.
  • the type burner offers several here required structural features:
  • the separated copper plates which serve to stabilize the wall of the plasma, can be used as electrodes for Hall and Faraday currents by a different choice of material and further subdivision of the plates.
  • the burner is designed in such a way that the optical radiation can even leave the burner windowless or enter the plasma and radiate it through the longest path. Due to the extension of the route, a higher absorption is achievable with this objective.
  • the arc plasma can be supplied with additional gases through another gas inlet. Their excitation levels in absorption lines and bands increases the total absorption of the plasma.
  • a conventional DC arc discharge is supplied via a series resistor Ri by a source with the voltage Ui.
  • the arc 13 of the plasma cell 1 burns between the electrodes 11, supplied via the electrical conductors 12.
  • the optical radiation 30 to be converted passes through the window into the plasma cell 1 with the internally mirrored wall 10.
  • the stationary magnetic field 20 perpendicular to the main axis of the plasma 13 (FIG.
  • the intrinsic magnetic field is stronger on the inside of the arc than on the outside of the arc, which leads to charge separation
  • This charge separation is achieved by additional inhomogeneous magnetic fields B (x, y, z
  • this current I2 is derivable via the line 41 for a matched load with resistor R2
  • two circuits are formed which lead through the plasma cell 1.
  • the plasma cell 1 has two electrically powered electrodes the first, primary gas discharge and the two further electrodes, between which a voltage U2 is generated via the plasma.
  • This second, secondary gas line possibly requires an additional ignition to obtain the independent gas discharge, in particular a field emission of electrons to the electrodes.
  • the optical radiation to be converted is focused in the second gas line or in the intersection of the two gas lines.
  • the Lorentz force in the pinch effect is specifically exploited in order to achieve particularly high electron densities and consequently radiation densities.
  • the resulting forces of the pinch effect on ions and electrons are rectified and form the plasma sphere.
  • the charges can be separated, much like the Faraday and Hall currents in the magnetohydrodynamic generator.
  • the toroidal magnetic field becomes stronger on the inside of the torus (closer to the axis) than on the outside.
  • the magnetic pressure drives such a plasma to the outer wall of the discharge vessel, there is no equilibrium state.
  • the toroidal plasma confinement provides a required configuration for a plasma, which is useful both for the absorption of photons and for charge separation, quite in the sense of the energy conversion pursued here.
  • An electrically powered DC arc plasma burning in self-contained gas discharge operates with a series resistor at the operating point with a negative differential resistance.
  • the optical radiation to be converted is focused on the arc. With bridging the voltage source breaks the discharge voltage together, however, the energy of the series resistor can be used for a consumer, as long as the radiation-absorbing processes continue to run successfully and the series resistance of the available power is adjusted.
  • the intrinsic magnetic field of the arc which causes a Pinch bin with appropriate height, has a stabilizing effect and can be increased by additional magnetic fields. With another ignition, the process can be started repeatedly.
  • the first, ignited, gas line is the absorber which, after switching off the external energy supply, emits the absorbed energy to the consumer on the same gas line. Primary and secondary gas lines are therefore identical, but separated in time.
  • Additional charge-separating transport mechanisms that act on the properties of the charge carriers (mass, density, speed) can have a supporting or substantial effect.
  • convection is the convection-stabilized plasma of a commercial mercury-vapor lamp burning between two electrodes.
  • electrons and ions albeit at different speeds, in the same direction on the way.
  • a magnetic field can convert this flow rate into Faraday or Hall currents comparable to the magnetohydrodynamic principle.
  • the electrodes are placed adjacent to the plasma arc, as is known from the technology of magnetohydrodynamics.
  • the transfer of the (temporarily) locally separated charge carriers (ions and electrons) into electrical currents can be made possible by the reverse method, as in the introduction of electrical energy in a plasmas (eg as in plasma radiation sources), ie via electrodes (ohmic), capacitive and inductive.
  • a plasmas eg as in plasma radiation sources
  • electrodes ohmic
  • capacitive and inductive e.g., arrangements with four electrodes are possible, with simultaneous ohmic plasma generation and ohmic energy extraction.
  • the electrodes are to be formed corresponding concentrically inside and outside.
  • charge separation can be a) the geometric arrangement of magnetic fields (and possibly electric fields by means of electrodes) for plasma generation and b) the geometric locations of charge separation and thus the positioning of pickup points (electrodes) at ohmic, capacitive or inductive removal of electrical energy.
  • the said charge separation in all the above variants and their interaction is highly dependent on the dependence of all the variables characterizing the plasma.
  • the stability or stationary equilibrium is attacked not least by fluctuations in the supply of radiant energy and changes in the outflow of electrical energy (load adaptation).
  • the occurrence and maintenance of the (possibly periodic) charge separation may require control and also regulation of, in particular, the electromagnetic input variables for the plasma.
  • this energy conversion from the photon current into an electron current corresponds to the thermodynamically maximum efficiency, since in particular the quantized photon energy can be completely converted (ideally) by the multiplicity of (successively) repeated conversion processes.
  • This process chain represents an energy converter for photon energies.
  • optical radiation preferably high to ultra-high concentrated solar radiation
  • Cube e.g. p. Cube, Solar Cell Physics, Spectrum, Akad. Verl., 1995 Luque e.g. A. Luque, A. Marti: Limiting Efficiency of Coupled Thermal and Photovoltaic Converters, Solar Energy Material & Solar CeIIs, 58,

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Abstract

Das "Verfahren zur Energieumwandlung" ermöglicht eine effiziente Konversion von optischer Strahlung in Elektrizität. Die optische Strahlung, insbesondere solare Strahlung, wird in den Konverter eingeleitet. Dort werden die Photonen absorbiert und Ladungsträger erzeugt. Nach Ladungstrennung wird der elektrische Strom für einen elektrischen Verbraucher verfügbar.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Energieumwandlung
1 Einleitung
Zur direkten Energieumwandlung von optischer Strahlung in einen für einen elektrischen Verbraucher verwertbaren Strom bedarf es (1.) der Absorption der Strahlung mit (2.) einhergehender Erzeugung von Ladungsträgern und (3.) örtlicher Trennung der verschiedenartigen Ladungsträger. Prinzipiell können Metalle, Halbleiter, organische Stoffe sowie auch Elektrolyte als Absorber in Thermionik und Photovoltaik dienen. Auch Plasmen sind dafür geeignet.
2 Stand der Technik
Rodgers, Krascella und Kendall [Rodgers 1979] haben nach Darstellung von Flamant [Flamant 2004] einen magnetohydrodynamischen (MHD) Prozess und einen thermodynamischen Zyklus zur Gewinnung von elektrischer Energie aus einem solar bestrahlten Cäsiumdampf vorgeschlagen.
Auch haben Dunning und Palmer einen Hochtemperatur-solar-elektrischen Konverter vorgeschlagen und dazu theoretische und experimentelle Ergebnisse veröffentlicht [Dunning 1981]. Das Konzept basiert auf der Absorption solarer Strahlung durch ein Cäsium-Plasma, welches im abgeschlossenen Raum unter solarer Bestrahlung aus dem Alkalimetalldampf entstehe. Ohne eine genauere Vorrichtung zu beschreiben wird vorgeschlagen, die elektrische Energie über einen magnetohydrodynamischen Rankine- Prozess zu gewinnen.
Ein solarthermischer Antrieb für einen MHD-Prozess mit der genannten Funktionsweise wird in DE 3240965A1 beschrieben (1982).
Der vorgeschlagene MHD-Prozess ist nachteilig: Es ist notwendig eine energieführende Strömung des heißen Plasma zu generieren, was durch Expansion und Abkühlung im MHD-Prozess erreicht wird. Damit verliert das Plasma seine örtliche Konzentration und den Wirkungsgrad mindernder Energieabfluss wird begünstigt.
Auch im Fall eines thermodynamischen Zyklus, der Kondensation und Verdampfen des Cäsium beinhaltet, wird zweckmäßig ein Wärmereservoir mit einem Kältereservoir verbunden, was alle technischen Probleme und Wirkungsradverluste einer solchen Vorrichtung mit sich bringt.
Ein Plasma-Photoelektrik-Konverter gemäß Gorbunov [Gorbunov 2006] sieht vor, die fokussierte solare Strahlung im Alkalimetalldampf des Cäsiums zu absorbieren und mittels ambipolarer Diffusion eine Ladungsträgertrennung zu erreichen. Der Konverter ist als Heat Pipe ausgestaltet, in dem ein geschlossener Zyklus von Verdampfen und Kondensieren des Alkalimetalls aufgrund von Oberflächenspannungen abläuft. Ein Puffergas dient zur Begrenzung des Alkalidampfes und damit dem Bereinigen des Strahlungseintrittfensters sowie der Erhöhung des Diffusionskoeffizienten.
Im Unterschied zu den genannten MHD-Prozess und thermodynamischen Zyklus setzt der Konverter gemäß Gorbunov auf die Ladungstrennung durch ambipolare Diffusion, wie sie von Wiesemann [Wiesemann 1976] beschrieben wurde. Dieses Konzept ist nachteilig, da die ambipolare Diffusion auch Energieübertragung von der beweglicheren Komponente (den Elektronen) auf die langsamere (die Ionen) bedeutet. Weiterer wesentlicher Nachteil des Konverters ist, dass keine Möglichkeit besteht die Antriebskraft „ambilpolare Diffusion" von außen zu optimieren, zu steuern oder zu regeln, sondern einzig die bauliche Anordnung von Wand, Elektroden und lonisationsquelle für die Diffusion verantwortlich ist.
Die genannten Konverter nach Stand der Technik sind als Idee, Konzept bzw. Modell vorgeschlagen worden und nur teilweise in ihrer Konzeption experimentell bestätigt. Fragen zur Konzeption sind Gegenstand aktueller Forschung [Gorbunov 2006].
Die allgemein niedrige lonisationsenergie der Alkalimetalle führt wie bei der Thermionik zu ihrer favorisierten Verwendung in den genannten Konvertern. Ein wesentliches Argument für den Einsatz von Cäsium (im Vergleich zu Natrium) liegt in der Existenz von mehreren Anregungsniveaus (1,386eV, 1,455eV, 2,7OeV, 2,72eV) im interessierenden solaren Spektralbereich. Es wird festgestellt [Flamant 2004, Seite 18], dass die neuerlich berechnete Absorption in den genannten Linien (.eine unberücksichtigte Resonanzverbreiterung der Linien wird nach oben abgeschätzt,) eine vernachlässigbare resultierende Energieflussdichte im Vergleich zur eingestrahlten Bestrahlungsstärke im genannten „Sonnenofen" hat. Die Absorption außerhalb der Linien in den atomaren/molekularen Banden wird nach Literaturrecherche als „signifikant" eingeschätzt. Zusammenfassend wird ein errechnetes Resultat des Absorptionskoeffizienten aus [Dunning 1981] herangezogen. So ist nicht endgültig zu klären, wie hoch der Absorptionskoeffizient von Cäsiumdampf bei den teils unbekannten Betriebsbedingungen tatsächlich ist [Flamant 2004].
In allen genannten Konvertern wird das Plasma durch Photoionisierung erzeugt, erreicht durch die eingestrahlte zu wandelnde optischen Strahlung. Dies ist aus mehreren Gründen besonders nachteilig: i. Die Ionisierung eines Atoms oder Moleküls mit solarer Strahlung führt auch bei den geringen lonisationsenergien der Alkalimetalle nur zum geringen lonisationsgrad des Plasma. Der lonisationsgrad, also die Ladungsträgerdichte, ist jedoch entscheidend für den Innenwiderstand und damit für die Effizienz des Konverters, ii. Die Ionisierung mit hinreichendem lonisationsgrad ist mit solarer Strahlung für die meisten Elemente, insbesondere Gase, nicht möglich, da die lonisationsenergie mit dem solaren Spektrum nicht erreicht wird.
Das bedeutet, dass hier das durch Photoionisierung mittels solarer Strahlung herbeigeführte Alkalimetalldampf-Plasma für die Anwendung im Konverter nicht optimal ist.
Nachteilig am Stand der Technik ist zusammenfassend (1.) die geringe Absorption der solaren Strahlung mit einem Alkalimetalldampf und (2.) die geringe Ladungsträgererzeugung durch Ionisierung sowie (3.) der schwache Ladungstrennungsprozess „ambipolare Diffusion".
3 Aufgabenstellung
Es wird ein effektiver Konverter für optische Strahlung in elektrische Energie gesucht. Aufgabe dieser Erfindung ist es,
1) einen geeigneten Absorber für die zu wandelnde optische Strahlung zu finden und die wesentlichen Eigenschaften des Absorbers zu optimieren, 2) Verfahren und Vorrichtungen zu konzipieren, bei denen ein als Absorber dienendes Plasma in seinen wesentlichen Eigenschaften, wie insbesondere Lokalisierung, Absorption, Leitfähigkeit, etc. gestaltbar, kontrollierbar, regel- und steuerbar ist,
3) eine wirkungsvolle Ladungstrennung herbeizuführen,
4) die bekannten theoretischen Erkenntnisse über die thermodynamischen Limitierungen mit einem neuen Konzept besser auszuschöpfen,
5) eine im Hinblick auf den Carnot-Wirkungsgrad optimierte Absorbertemperatur von ca. 2400 bis 2600 Kelvin zu erreichen,
6) eine Technologie zu verwenden, die bereits mit hinreichenden Erfahrungen genährt ist.
4 Funktionsprinzip
Zur Konversion von optischer Strahlung in elektrische Energie wird erfindungsgemäß die Strahlung in einem elektrisch gespeisten und in Gasentladung brennenden optischen Plasma absorbiert, um dann mittels magnetischer bzw. elektromagnetischer Kraft, Ladungstrennung herbeizuführen und die so vorliegende elektrische Energie dem Plasma ohmsch, induktiv oder kapazitiv über einen (typischerweise sekundären) Stromkreis entnommen wird.
4.1 Optische Strahlung
Die in Elektrizität zu wandelnde optische Strahlung von UV über VIS ins IR kann künstlichem, vorzugsweise solaren Ursprungs sein. Mit dem Stand der Technik sind hohe optischen Konzentrationen der solaren Strahlung möglich, typischerweise mehrere tausend mit bis zehntausend. Mehrstufige ultra-hohe Konzentrationen nichtabbildender Optik erreichen fast theoretische Grenzen in der Größenordnung von 100.000. Ein typischer „Sonnenofen" im Betrieb erreicht Bestrahlungsstärken von 15MW/m2 mit weitgehend spektraler Verteilung des terrestrischen solaren Spektrums mit Ausnahme von Absorptionen im UV durch die Optik [Flamant 2004]. 4.2 Das Plasma
Zur Begriffbildung wird die Literatur [Bergmann Schäfer], [Kohlrausch] und [Wiesemann] herangezogen.
Das als Absorber dienende Plasma wird in elektrischer Gasentladung erzeugt. Die Gasentladung des energiespeisenden (primären) Stromkreis definiert eine „Gastrecke", die geometrisch nicht als Linie, sondern als Volumen, insbesondere als Schlauch ausgebildet ist. Eine Stabilisierung der Gasstrecke geschieht durch die massive Wand, eine Flüssigkeit, eine Gas- oder Flüssigkeitsströmung und insbesondere durch die Elektroden. Es kommen teil- und unselbständige, vorzugsweise selbständige Entladungen zur Erzeugung des optischen Plasma in Frage.
Die Strom-Spannungs-Charakteristik einer stationären Gasentladung ist in den einzelnen Strombereichen geprägt durch die unterschiedlichen Typen der Entladung:
Fremdionisierte Entladung (unselbständig)
Townsend-Entladung (teilselbständig)
Glimmentladung (teilselbständig)
Normale Glimmentladung (selbständig)
Anormale Glimmentladung (selbständig)
Bogenentladung (selbständig)
Eine selbständige Gasentladung im Bogen ist gekennzeichnet durch Feldemission, Thermoemission, Thermofeldemission Elektronenstoßionisierung und thermischer Ionisation.
„Der stromlosen Gasstrecke ohne Ladungsträger entspricht die Gasstrecke, in der ein reiner Verschiebungsstrom fließt. Der unselbständigen Entladung entspricht eine Gasstrecke, in der durch Fremdionisierung Ladungsträger erzeugt werden. Diese Ladungsträger nehmen aus dem Feld Energie auf. Wenn sie zur Wand diffundieren und dort entladen werden oder wenn sie elastisch mit Gasmolekeln stoßen, wird diese Energie als Wärme freigesetzt. Daher wird dem Feld dauernd Energie entzogen (die Gasstrecke enthält einen Wirkwiderstand). Nehmen die Ladungsträger sowohl Energie im Feld auf, dass sie ionisieren können, so steigt der Energiestrom zur Wand bzw. in das Neutralgas. Dies entspricht der teilselbständigen Entladung. Wird schließlich so stark ionisiert, dass ohne Fremdionisierung ständig eine endliche Ladungsträgerkonzentration in der Gasstrecke aufrechterhalten werden kann, so sprechen wir von der Zündung einer selbständigen Entladung. Aus dieser Betrachtung geht hervor, dass es am günstigsten ist, die Zündbedingung als Funktion der Feldstärke zu formulieren[Wiesemann S253]". Diese Formulierung findet Anwendung für die Gasentladung in der Wechselspannung und in der weiter unten genannten sekundären Gasstrecke.
Die Gasmischung des Plasma besteht aus Elementen wie schwere Edelgase, Alkalimetalle oder auch Elemente wie Schwefel, die verdampfen, mit besonders vielen Anregungsniveaus, die typischerweise einen hohen Anteil an Kontinuumstrahlung haben und vorzugsweise in der Entladung an maximaler Anzahl von Frequenzen optisch dicht sind. Die einzelnen Drucke der Gassorten sind gewählt, dass die Gesamtabsorption des Plasma maximiert ist.
Zum Beispiel zeigt die Natriumdampflampe die für den Konverter geforderte Eigenschaft, unter zunehmenden Dampfdruck eine hohe Absorption bis hin zur Selbstabsorption auszubilden und in dem entsprechenden Spektralbereich nahe der spektralen Strahldichte des in der Temperatur korrespondierenden Schwarzen Körpers (Wand) zu sein.
Erfindungsgemäß wird erkannt, dass alle in der Lichttechnik bekannten Stoffe mit hoher Lumineszenz, wie z.B. NaJ, ScÜ3, ZnÜ2, geeignet sind in dem Plasma die gewünschte Absorption auszubilden.
Erfindungsgemäß wird für den gesuchten Konverter ein elektrisch gespeistes und in vorzugsweise selbständiger Gasentladung brennendes optisches Plasma als Absorber für optische Strahlung bereitgestellt. Damit wird das Plasma nicht durch Photoionisierung erzeugt, sondern wird unter Aufwand von elektrischer Energie hergestellt.
Mit zunehmender eingespeister Energie wird ein Plasma, das sich in einer innenverspiegelten Kammer befindet, durch wiederholte Wandlung von Photonenenergie in Bindungs- und Translationsenergie (unter Beteiligung Dritter) sowie der Redistribution der Strahlung, sich in den Größen (a) spektraler Verteilung und (b) Energiedichte denen der Hohlraumstrahlung als Maximum annähern. So kapn unter idealen Bedingungen jedes optische Plasma mit beliebigen Spektrum (bestenfalls Viel-Niveau-System) durch Energiezufuhr mittels optischer Strahlung in seinen wesentlichen Größen der Anzahldichten (und -Verteilungen) von Molekülen, Atomen, Ionen und Elektronen sowie (lokalen) Temperaturen, Drücke, Masseverteilungen, Wärmeverteilungen der Komponenten als Absorber betrachtet werden. Nicht notwendigerweise fließen Annahmen über Gleichgewicht und Stabilität ein. Ist das Plasma (nicht notwendigerweise) in eine weitgehend innenverspiegelte Kammer eingeschlossen, ergeben sich durch diese Umgebung, insbesondere der Umgebungstemperatur, entsprechende Ortsverteilungen aller maßgeblichen Größen, wie insbesondere der Anzahldichten und Temperatur. Ein geometrisch ausgebildeter heißer Kern des Plasma hat die höchsten Dichten und Temperaturen und das höchste Absorptionsvermögen.
Absorption und induzierte Emission erfolgen gemäß der Besetzungswahrscheinlichkeiten nach Einstein. Die Analogie zur Bremsstrahlung von Röntgenstrahlung in Materie nach Kramers dient der Ermittlung des Emissionskoeffizienten und der Diskussion von Temperatur, Anzahldichten und weiteren Parametern. Unter Annahme eines lokalen thermischen Gleichgewichts ist nach Kirchhoff die Absorption über die Hohlraumstrahlung (Planck) an die Emission gebunden. So ist einer der Umkehrprozesse der Emission die Photoionisierung, die jetzt unter Beteiligung Dritter (Elektronen bzw. Ionen) mit Photonenenergien weit unter der lonisationsenergie stattfinden kann.
Erfindungsgemäß wird erkannt, dass das Plasma eine hohe Emission aus Linien und Kontinuumstrahlung in allen Wellenlängenbereichen erreichen muss, um gleichermaßen die Absorptionsfähigkeit des Plasmas zu erhöhen. So kann aus den besonders gewichtigen solaren Spektralbereich von 0,5 bis 3eV mittels Umkehrprozess der Bremsstrahlung einer selbständigen Xenon-Bogenentladung die solare Energie in das Plasma (den Bogen) überführt werden. Die Herstellung von Gasentladungslampen hat hier die gleiche Zielsetzung: möglichst hohe Emissionskoeffizienten des Kontinuums anzustreben durch möglichst hohe Elektronendichten bei möglichst geringen
Temperaturen. Die Technologie der Gasentladungslampen dient hier als Muster für die bauliche Ausgestaltung.
Allgemein sind die Strahlungsquellen jedoch auf photometrische und lichttechnische
Anforderungen optimiert und bieten für die hiesige neue Verwendung entsprechend
Optimierungspotential:
Das als Absorber dienende Plasma soll einen spektralen Emissionskoeffizienten besitzen, der einen Absorptionskoeffizienten bedingt, der auf die zu wandelnde optische Strahlung
(solare Strahlung) angepasst ist. Vorzugsweise ist das Plasma optisch dicht in allen entsprechenden Frequenzen. Dazu werden Mischungen einer Vielzahl von Stoffen
(Elemente, Moleküle, Aerosole, vorzugsweise Viel-Niveau-Systeme) verwendet, die im jeweiligen Partialdruck optimiert sind, um einen maximalen
Gesamtabsorptionskoeffizienten des Plasma zu erhalten.
Im Niederdruck-Langbogen kann auch bei einen geringen Absorptionskoeffizienten ein langer Strahlungsweg zur Absorption dienen. Mit einem Hochdruck-Kurzbogen kann hingegen die Absorption durch technisch einfach zu erreichende Druckerhöhung gesteigert werden.
Mit einem elektrisch gespeistem Plasma im erfindungsgemäßen Konverter sind die Vorteile gegeben, dass
• das Plasma exakt lokalisiert ist, und die Ortsverteilungen der Temperatur, Konzentrationen, etc. sich dadurch mitbestimmen,
• die thermodynamisch günstige Temperatur im Hinblick auf den Wirkungsgrad einstellbar ist, für Carnot entsprechend 2400-2600K,
• die elektrisch gespeiste Entladung in einstellbarer Intensität brennt und damit der Absorber Steuer- und regelbar ist,
• die wesentlichen Eigenschaften des Plasma (des Absorbers), wie ortsabhängige Elektronen- und lonenkonzentrationen, durch gezielte Ausbildung der Elektroden und der Umgebung beeinflussbar sind,
• höhere (örtliche) Ladungsträgerkonzentrationen zu erreichen sind als die zu wandelnde optische Strahlung es erreichen kann, Gase und Edelgase in der Entladung verwendbar sind, wie Xenon, die nur als
Plasma in einer gezündeten Gasentladung eine mit der Emission einhergehenden Absorption besitzen, die Gasentladung mit Kontinuumstrahlung Photonen absorbieren kann, deren
Energie nahe unter der Seriengrenze und damit weit unter der lonisationsenergie des Gases liegt, die in weiten Teilen bekannte Technologie der Plasmastrahlungsquellen neue
Anwendung finden kann, die selbständige Gasentladung einen negativen differentiellen Widerstand besitzen kann, was für das Funktionsprinzip des Konverters vorteilhaft sein kann, im Fall des Gleichstrombetriebs das Plasma einen lokalisierten Stromfluss besitzt, der es erlaubt, auf diese Gasentladungsstrecke im weiteren zielgerichtet elektromagnetisch Einfluss zu nehmen, der elektrische Energiefluss in das Plasma gleichzeitig dem Plasma eine
Ordnungsstruktur hinsichtlich Elektronen- und lonenfluss, Temperatur etc. einprägt, die zur Ladungstrennung ausgenutzt werden kann. Im Fall des
Gleichstrombogens ist die Ordnungsstruktur in den Symmetrien offensichtlich.
4.3 Ladungstrennung
Erfindungsgemäß wird die Ladungstrennung durch homogene und inhomogene magnetische bzw. elektromagnetische Felder vorgenommen.
Die mit dem primären Stromkreis aufrecht erhaltene Gasentladung besitzt eine Ordnungsstruktur hinsichtlich der Ortsverteilungen aller charakteristischen Größen des Plasma. Insbesondere der Elektronen- und lonenfluss wird durch Wand, Elektroden, Flüssigkeit, etc. in seiner Geometrie planmäßig gestaltet.
Aufgrund der geringen Beweglichkeit der Ionen gegenüber der Elektronen nehmen letzte den Ladungstransport bei deutlich höherer Geschwindigkeit wahr. In einem Magnetfeld unterliegen die Ladungsträger der Lorentzkraft und gyrieren. Insbesondere der Krümmungs- und Gradientendrift führt zur Ladungstrennung. Aus dem verallgemeinerten Ohmschen Gesetz lassen sich die Hall-, Faraday- und weiteren Ströme ableiten.
Durch planmäßig angelegte
• homogene, stationäre magnetische Felder,
• homogene, frequente magnetische Felder und damit induzierte elektrische Felder,
• inhomogene, stationäre magnetische Felder,
• inhomogene, frequente magnetische Felder und damit induzierte elektrische Felder wird die örtliche (und zeitliche) Ladungstrennung erreicht.
Die Magnetfelder können durch Permanentmagnete und vorzugsweise elektromagnetisch erzeugt werden. Die magnetfeld-erzeugende Vorrichtung für insbesondere ladungstrennende, fokussierende und strömungsleitende Felder werden nach Stand der Technik erstellt.
Auf diesem Weg wird erfindungsgemäß eine (typischerweise) zweite Gasstrecke erzeugt, die in einem (sekundären) Stromkreis eine elektrischen Strom für einen Verbraucher liefert.
Die Vorteile der (elektro-) magnetischen Ladungstrennung sind, dass
• die Ladungstrennung durch die Einstellbarkeit der (verschiedenen) homogenen und inhomogenen (Elektro-) Magnetfelder Steuer- und regelbar wird
• die entstehenden Hall- und Faraday-Spannungen für eine zweite Entladungsstrecke benutzt werden können
• die entstehenden Hall- und Faraday-Spannungen durch Wahl der Magnetfeldstärke(n) steuerbar ist, und vorzugsweise so hoch sind, dass eine Feldemission von Elektronen auf der zweiten Gasstrecke möglich ist, • die genannte Einstellbarkeit insbesondere eine magnetische Zündung zur selbständigen Entladung der zweiten Gasstrecke zulässt, d.h. kurzzeitig kann ein Schwellenwert für Strom oder Spannung zur Auslösung der selbständigen Entladung überschritten werden,
• der Energiefluss der ersten Gasentladung in die zweite Gasentladung kontrollierbar ist,
Erfindungsgemäß ist die plasma-erzeugende primäre Entladung
1 ) verantwortlich für die Absorptionseigenschaft des Plasma und
2) Energielieferant für die im Plasma zu erzeugende ladungstrennende Spannung für die zweite Gasstrecke, die einen nach außen ableitbaren elektrischen Strom liefert.
Erfindungsgemäß werden die Bedingungen für die zweite Gasstrecke so gewählt, dass sie eine selbständige Gasentladung ausbildet und in den Arbeitspunkt der Strom- Spannungscharakteristik mit konstanten oder vorzugsweise negativen differentiellen Widerstand arbeitet, um die höchste Ladungsmenge abzutransportieren.
5 Ausgestaltungen
5.1 Die Plasmastrahlungsquelle als Absorber
Als Beispiel dient das Plasma einer Hochdruck-Gasentladung einer Xenon- Kurzbogenlampe kommerzieller Bauart. Das Gas Xenon mit der lonisationsenergie von über 12eV ist ein schlechter Kandidat für die Photoionisierung. Jedoch zeigt Xenon im Plasma der Gasentladung hier gewünschte Eigenschaften, insbesondere diese, bei geringeren Energien Ladungsträger zu erzeugen:
1) „Das Verhältnis von Kontinuums- zu Linienstrahlungsleistung ist für Xenon relativ groß, zumal mit wachsender Stromdichte die lonisationsenergie durch das Mikrofeld der Elektronen um 1 - 2 eV abgesenkt wird und die Linienstrahlung mit zunehmendem Druck durch Reabsorption und durch Stöße 2-ter Art gemindert wird." [Heering 2003] 2) Im Termschema existieren sehr viele Anregungsniveaus nahe unter der
Seriengrenze. Xenon kann wie Neon, Quecksilber und andere Gase und Dämpfe mit besonderes vielen möglichen Übergängen als Viel-Niveau-System bezeichnet werden. Das quasi-kontinuierliche Emissionsspektrum ist geprägt durch die „frei- frei-Übergänge" und insbesondere die „frei-gebunden-Übergänge" im Sichtbaren und nahen Infraroten. Mit Emission dieser Strahlung ist auch die Absorption genau dieser Strahlung mit den Umkehrprozessen möglich, wobei die Photonenenergien deutlich unter der lonisationsenergie liegen.
So wird das Plasma z.B. der Xenon-Gasentladung ein Absorber genau der optischen Strahlung bestimmter Wellenlänge bzw. bestimmter Frequenz, die es emittiert, da mit der Emission die Absorption als Umkehrprozess einhergeht. Das Spektrum der Xenon- Gasentladung (Viel-Niveau-System) ähnelt dem der Hohlraumstrahlung und es ergibt sich auch die Eignung zur Absorption solarer Strahlung.
Die Absorptionslänge ist im Sichtbaren mit Annahme hinreichender Elektronendichte im Sub-Millimeter-Bereich und somit in brauchbarer Größenordnung in dieser technischen Realisierung eines Plasmas. Eine kommerzielle Xenon-Kurzbogen-Hochdrucklampe oder eine Quecksilber-Hochdruckdampflampe, kann durch fast vollständige Verspiegelung der Kolbenwände und durch Einkoppelung optischer (solarer) Strahlung an freigebliebenen Stelle als Ausführungsbeispiel eines Absorbers betrachtet werden.
Jedoch ändert sich zunächst bei Bestrahlung lediglich die Bilanz der aufzuwendenden elektrischen Energie und der Strahlungsenergie verschiedenen Ursprungs (eingestrahlt bzw. erzeugt), da dem System ausschließlich Energie zu- und nicht abgeführt wird.
Die Umgebung des Plasma kann ausgestaltet werden wie die bekannten lonisierungskammern [Kohlrausch] und Plasmastrahlungsquellen, wobei idealerweise eine eingefangene Strahlung im Plasmaraum/Entladungsgefäß durch Reflexion an den Kammerwänden gehalten werden soll (Lichtfalle). Aus der Umkehrbarkeit eines jeden Lichtweges muss einkalkuliert werden, dass ein zu minimierender Teil der eingefangenen Strahlung das Plasma und die gesamte Anlage der Energieumwandlung wieder verlassen wird. Die optimalen Bedingungen für diesen Teil der Strahlung hinsichtlich des Strahlungsflusses und insbesondere der Strahlungstemperatur sind auszubilden (Ergebnisse der Plasmaspektroskopie, Lampenbau, Gestaltung von Ortsverteilungen der optischen Dichte, Ausnutzung der im weiteren beschriebenen Effekte, etc.).
5.2 Plasmabrenner mit Wandstabilisierung
Die in der Plasmaspektroskopie und Radiometrie bekannten Plasmabrenner [Kohlrausch 96] sind in der Lage, Bogenplasmen mit Spektrallinienemission aus optisch dicker Schicht zu erzeugen. Der Typus Brenner bietet mehrere hier geforderte bauliche Merkmale:
• Die separierten Kupferplatten, die der Wandstabilisierung des Plasma dienen, können durch andere Materialwahl und weitere Unterteilung der Platten als Elektroden für Hall- und Faradayströme dienen.
• Der Brenner ist derart gestaltet, dass die optische Strahlung sogar fensterlos den Brenner verlassen kann bzw. in das Plasma gelangen kann und dieses auf dem längsten Weg durchstrahlt. Durch die Wegverlängerung ist mit hiesiger Zielsetzung eine höhere Absorption erreichbar.
• Dem Bogenplasma kann durch einen weiteren Gaseinlass Zusatzgase zugeführt werden. Deren Anregungsniveaus in Absorptionslinien und -banden erhöht die Gesamtabsorption des Plasma.
5.3 Einfachste Ausgestaltung in 4-Elektroden-Anordnung:
Eine konventionelle Gleichstrom-Bogen-Entladung wird über einen Vorwiderstand Ri durch eine Quelle mit der Spannung Ui versorgt. Der Bogen 13 der Plasmazelle 1 brennt zwischen den Elektroden 11, versorgt über die elektrischen Leiter 12. Die zu wandelnde optische Strahlung 30 tritt durch das Fenster in die Plasmazelle 1 mit der innenverspiegelten Wand 10. Das stationäre Magnetfeld 20 senkrecht zur Hauptachse des Plasma 13 (Verbindung der Elektroden 11) führt zur „magnetischen Blasung" des Plasma. In dem gekrümmten Bogen 13 ist das Eigenmagnetfeld auf der Bogeninnenseite stärker als auf der Bogenaußenseite, was zur Ladungstrennung führt. Diese Ladungstrennung wird durch zusätzliche inhomogene Magnetfelder B(x,y,z) unterstützt, typografisch dargestellt mit 20. Mit zwei weiteren Elektroden 40 wird dieser Strom I2 über die Leitung 41 ableitbar für einen angepassten Verbraucher mit Widerstand R2. Elektrotechnisch entstehen zwei Stromkreise, die durch die Plasmazelle 1 führen. Die Plasmazelle 1 besitzt zwei elektrisch gespeiste Elektroden der ersten, primären Gasentladung und die beiden weiteren Elektroden, zwischen denen eine Spannung U2 über das Plasma erzeugt wird. Diese zweite, sekundäre Gasstrecke bedarf ggf. einer zusätzlichen Zündung zur Erlangung der selbständigen Gasentladung, insbesondere einer Feldemission von Elektronen an die Elektroden.
Die zu wandelnde optische Strahlung wird in die zweite Gasstrecke bzw. in die Kreuzung der beiden Gasstrecken fokussiert.
5.4 Pinch
Auch wird in Kurzbogenlampen gezielt die Lorentzkraft in dem Pinch-Effekt ausgenutzt, um besonders hohe Elektronendichten und folglich Strahlungsdichten zu erreichen. Dabei sind die resultierenden Kräfte des Pinch-Effekts auf Ionen und Elektronen gleichgerichtet und formen die Plasmakugel. In einem zusätzlichen Magnetfeld können die Ladungen getrennt werden, vergleichbar wie die Faraday- und Hall-Ströme im magnetohydrodynamischen Generator.
5.5 Toms
„Biegt man einen Theta-Pinch um die sog. Vertikale Achse herum zum Toms zusammen, wird das toroidale Magnetfeld auf der Torusinnenseite (näher zur Achse) stärker als das auf der Außenseite. Der magnetische Druck treibt ein solches Plasma an die Außenwand des Entladungsgefäßes, es existiert kein Gleichgewichtszustand. Zusätzlich tritt eine kombinierte Krümmungs- und Gradientendrift auf, die eine vertikale Ladungstrennung hervorruft, bei der sich Elektronen oben im Torus sammeln und die Ionen unten oder umgekehrt." [Bergmann Schaefer, S. 205]. Damit stellt der toroidale Plasmaeinschluß eine geforderte Konfiguration für ein Plasma dar, was sowohl zur Absorption von Photonen als auch zur Ladungstrennung dienlich ist, ganz im Sinne der hier verfolgten Energiewandlung.
5.6 Gasstrecke zeitlich getrennt
Ein elektrisch gespeistes und in selbständiger Gasentladung brennendes optisches Gleichstrom-Bogenplasma arbeitet mit Vorwiderstand im Arbeitspunkt mit negativen differentiellen Widerstand. Die zu wandelnde optische Strahlung wird auf den Bogen fokussiert. Mit Überbrückung der Spannungsquelle bricht zwar die Entladungsspannung zusammen, jedoch kann die Energie des Vorwiderstandes für einen Verbraucher genutzt werden, solange die Strahlungsabsorbierenden Prozesse erfolgreich weiterlaufen und der Vorwiderstand der verfügbaren Leistung angepasst wird. Das Eigenmagnetfeld des Bogens, was bei entsprechender Höhe einen Pincheffekt mit sich bringt, wirkt stabilisierend und kann durch zusätzliche Magnetfelder erhöht werden. Mit einer weiteren Zündung lässt sich der Prozess wiederholt starten. Im Sinne des erfindungsgemäßen Konverters ist die erste, gezündete, Gasstrecke der Absorber, der nach Abschalten der äußeren Energieversorgung auf der selben Gasstrecke die absorbierte Energie zum Verbraucher abgibt. Primäre und sekundäre Gasstrecke sind also identisch, jedoch zeitlich getrennt.
5.7 Im Wechselfeld
Im weiteren Beispiel einer elektrodenlosen Mikrowellen-Lampe wird die Ladungstrennung aufgrund des Skin-Effekts beobachtet. Nach Zollweg, 1975, haben gemäß Aussage Listers [Lister, S.580, S586] Modellrechnungen unter anderem die Ladungstrennung im Zusammenhang mit Entmischung, Strahlungsemission und Elektroden aufgezeigt. Die Elektroden für die Stromableitung zum Verbraucher werden entsprechend konzentrisch innen und außen ausgebildet.
5. S Zusammen mit weiteren Transportmechanismen
Zusätzliche ladungstrennende Transportmechanismen, die an den Eigenschaften der Ladungsträger (Masse, Dichte, Geschwindigkeit) angreifen, können unterstützend bis wesentlich wirken.
Als Beispiel für die Konvektion sei das zwischen zwei Elektroden brennende konvektionsstabilisierte Plasma einer kommerziellen Quecksilberdampflampe genannt. Dabei sind Elektronen und Ionen, wenn auch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, in gleicher Richtung unterwegs. Ein Magnetfeld kann diese Strömungsgeschwindigkeit in Faraday- oder Hall-Ströme vergleichbar dem magnetohydrodynamischen Prinzips überführen. Dazu werden benachbart dem Plasmabogen die Elektroden platziert, wie es aus der Technologie der Magnetohydrodynamik bekannt ist. Ingesamt kommen eine Reihe bekannter ladungstrennende Transportmechanismen in Frage, insbesondere:
• Diffusion
• Zeitabhängige Verwertung der ambilpolaren Diffusion (lokales/nicht-lokales thermisches Gleichgewicht LTE/NTE)
• Konvektion
• Gravitation
• Impuls, Viskosität
• Trägheit im Sinne der Masse und Beweglichkeit
• Gasdynamisch, z.B. lokale Gasströmung im Jet-Effekt
• Blasung (Strömung von Fremdstoffen, magnetische Blasung, etc.)
• Akustische Resonanz, [Lister S577]
• Thermionisch
• Zusätzlich generierte Raumladungen
• Gitter und Spannungsfelder bekannt durch Röhrentechnologie
• Gitter und Leitbleche zur Strömungsleitung
• Einbau von isolierten gelochter und ungelochter Membranen zur Strömungsleitung
• Chemische Trennung (auch Reaktionen) von Plasmabestandteilen oder zusätzlichen Molekülen, Clustern, o.a.
• Strömungsleitung durch Wand- oder Elektrodendesign
• Beeinflussung durch eine Flüssigkeit und Flüssigkeitsströmungen
5.9 Multi Path
Es ist bekannt, dass Plasmenstrahlungsquellen mit mehreren Elektroden auf mehreren Pfaden betrieben werden können und die Bögen eine Attraktion aufeinander ausüben [US3611015]. In US4631452 wird für eine Multi-Elektroden-Bogenentladung auf die prinzipielle Anforderung hingewiesen, dass die einzelne Energiespeisungen von sich verschmelzenden Bögen galavanisch vollständig getrennt sein müssen. Aus diesen Stand der Technik lässt sich ableiten, • wie eine begünstigte geometrische Konfiguration von mehreren Elektroden für den Konverter gestaltet werden müssen,
• welche elektromagnetischen Felder auf den unterschiedlichen Gasstrecken herrschen, um die inhomogenen Magnetfelder zur Ladungstrennung zu spezifizieren,
• welche Auslegungen für primäre und sekundäre Gasstrecken möglich sind.
5.10 Elektroden
Die Überführung der (zeitweise) lokal getrennten Ladungsträger (Ionen und Elektronen) in elektrische Ströme kann mit den umgekehrten Verfahren ermöglicht werden, wie bei Einleitung der elektrischen Energie in ein Plasmen (z.B. wie bei Plasmastrahlungsquellen), also über Elektroden (ohmsch), kapazitiv und induktiv. So sind Anordnungen mit vier Elektroden möglich, bei gleichzeitiger ohmscher Plasmaerzeugung und ohmscher Energieentnahme. Für das Beispiel der mit Mirkowellen gespeisten Lampe [Lister] und einhergehenden Skineffekt sind die Elektroden entsprechend konzentrisch innen und außen auszubilden.
5.11 Der Weg zur optimalen Ausgestaltung
Allgemein ist zur Beschreibung des Konverters, insbesondere im Hinblick auf die Ladungstrennung ein umfängliches ortsaufgelöstes Strahlungs- und Teilchenmodell oder in Vereinfachung ein Strahlungs- und Fluid-Modell („Strahlungsmagnetohydrodynamik") notwendig, was insbesondere folgende Prinzipien berücksichtigt:
• Allgemeinste Fassung des Ohmschen Gesetzes
• Maxwell Gleichungen
• Ergebnisse von Saha und Eggert
• Besetzungswahrscheinlichkeiten (Koeffizienten) und induzierte Emission nach Einstein,
• Wirkungsquerschnitt, Emissions- und Absorptionskoeffizienten, Reabsorption, Reemission, Redistribution,
• Kontinuitätsgleichungen, Driftbewegungen, Gyrationen, Wärmeleitung, Elenbaas- Heller-Differentialgleichung • Anzahldichten und Temperaturverteilungen der Plasma-Komponenten
• Beschaffenheit und Bedingung der Umgebung, Geometrien der Wandungen, und ggf. Elektroden selbst und zueinander
• Resonanzen
• Fluktuationen
Mit den genannten Beispielen und Modellen über Ladungstrennung lassen sich a) die geometrische Anordnung von magnetischen Feldern (und ggf. elektrischen Feldern mittels Elektroden) zur Plasmaerzeugung sowie b) die geometrischen Orte der Ladungstrennung und damit die Positionierung von Abnahmepunkte (Elektroden) bei ohmscher, kapazitiver oder induktiver Entnahme der elektrischen Energie finden.
5.12 Steuerung
Die besagte Ladungstrennung in allen oben genannten Varianten und deren Zusammenspiel unterliegt im hohen Maße der Abhängigkeit sämtlicher das Plasma charakterisierenden Größen. Die Stabilität bzw. das stationäre Gleichgewicht wird nicht zuletzt durch Fluktuationen in der Zufuhr der Strahlungsenergie und Änderungen im Abfluss der elektrischen Energie (Lastanpassung) angegriffen. Das Zustandekommen und Aufrechterhalten der (ggf. periodischen) Ladungstrennung kann einer Steuerung und auch Regelung von insbesondere den elektromagnetischen Eingangsgrößen für das Plasma bedürfen.
6 Vorteile
Diese Energieumformung vom Photonenstrom in einen Elektronenstrom entspricht idealtypisch dem thermodynamisch Maximum an Effizienz, da insbesondere die gequantelte Photonenenergie durch die Vielzahl der (hintereinander) wiederholt ablaufenden Umwandlungsprozesse (idealtypisch) vollständig umgewandelt werden kann. Diese Prozesskette stellt ein Energiekonverter für Photonenenergien dar. Es finden an dieser Stelle die Erörterungen von Luque, Landsberg, Green, Ries und Würfel über den die Limitierungen der Konversion Anwendung. Dabei gilt ist insbesondere: • Die vollständige und reversible Absorption der Strahlung ist idealtypisch gewährleistet.
• Die Anwesenheit eines magnetischen Feldes oder die zeitlich getrennte Nutzung einer Gasstrecke sind die Formen der Irreversibilität wie sie auch bei Abwesenheit des Kirchhoff Gesetzes zu maximal extrahierbarer Exergie führt. Die Erörterungen von Ries über die theoretischen Optische Zirkulatoren finden ihre Anwendung.
• Die multiple Ladungsträgererzeugung pro Photon, wie sie in der Photovoltaik von Green, Würfel und anderen diskutiert und gewünscht wird, findet in einem absorbierenden Plasma statt.
• Die einzelnen Energieniveaus, insbesondere unter Seriengrenze, der Elemente und Moleküle der Gasentladung stellen einen kumuliertes Viel-Niveau-System dar, wie es theoretisch in der Photovoltaik von Luque, Green und anderen diskutiert wird.
• Die Absorption, Emission, sowie Reabsorption, Reemission und Redistribution führen zur energetischen Umverteilung der Photonenenergie, wie sie als theoretische Up- und Down-Konverter in der Photovoltaik von Green und anderen diskutiert werden.
Die entscheidenden Vorteile dieser Energieumwandlung liegen
• in der Existenz eines Hoch-Temperatur-Prozesses, der technisch realisierbar und beherrschbar ist, weil die Werkstoffe (auch etwaige Elektroden) der Anlage nicht die eigentliche Hoch-Temperatur des Absorbers erreichen,
• in der hohen Temperatur des Absorbers, welche den hohen Wirkungsrad nach Carnot ermöglicht,
• in der (mit Einschränkung) zunehmenden Effizienz der Wandlung bei steigender Temperatur des Absorbers, speziell im Gegensatz zur konventionellen Photovoltaik. 7 Zeichnung
Zeichnung 1 mit Namen "Fig. 1":
I Plasmazelle
10 innenverspiegeltes druckfestes Entladungsgefäß
I 1 Elektroden für primären Entladungsbogen
12 elektrische Zuleitung für Elektroden
13 primärer Entladungsbogen
20 stationäres, ortsabhängiges Magnetfeld
30 optische Strahlung, vorzugsweise hoch bis ultra-hoch konzentrierte solare Strahlung
31 Fenster zum Eintritt der Strahlung
40 Elektroden des sekundären Entladungsbogen
41 elektrische Zuleitung für Elektroden
42 sekundärer Entladungsbogen nicht vermerkt sind die Dampf- und Gasbestandteile sowie etwaiges Kondensat
Zeichnung 2 mit Namen "Fig. 2":
Schematisches elektrotechnisches Blockschaltbild mit
1 Plasmazelle
8 Literatur:
Gorbunov 2006 Modeling a plasma photoelectric Converter of the focussed optical radiation, 13. Int. Plasma Conference, Kiev, 2006 Flamant 2004 Rapport final Projet Exploratoire « PLASMASOL », Effet photovoltaϊque dans un photoplasma solaire, PROMES - CNRS (ex
IMP), Odeillo, CPAT, Toulouse, Juillet 2004
Lister 2004 G.G. Lister, J.E. Lawler, W.P. Lapatovich, V.A. Godyak, The physics of discharge lamps, Rev. Mod. Phys., Vol. 76, No. 2, 2004
Heering 2003 Heering, Plasmastrahlungsquellen, Universität Karlsruhe, 2003 Dunning 1981 GJ. Dunning and AJ. Palmer, Journal of Applied Physics, vol.52, n°12, p.7086, 1981
Rodgers 1979 RJ. Rodgers, N. L. Krascella and J.S. Kendali, "Solar sustained plasma/absorber conceptual design", NASA Report R79-914392,
1978-1979
Wiesemann 1976 Wiesemann, Einführung in die Gaselektronik, 1976
Green z.B. M.A. Green, Third Generation, Springer, 2003
Ries H. Ries, Complete and Reversible Absorption of Radiation, Appl.
Phys. B 32, 153-156, 1983
Würfel z.B. p. Würfel, Physik der Solarzelle, Spektrum, Akad. Verl., 1995 Luque z.B. A. Luque, A. Marti: Limiting efficiency of coupled thermal and photovoltaic Converters, Solar Energy Material & Solar CeIIs, 58,
147-165, 1999
Bergmann Schaefer Bergmann Schaefer, Vielteilchen-Systeme, 1992 Kohlrausch Kohlrausch, Praktische Physik, 1996

Claims

Ansprüche:
1 ) Vorrichtungen zur Energieumwandlung von optischer Strahlung in Elektrizität durch
• Absorption der Strahlung und Erzeugung von Ladungsträgern,
• Ladungstrennung durch Transportmechanismen, die an den physikalischen Eigenschaften der Ladungsträger angreifen und
• Überführung der Ladungsträger in einen elektrisch ohmsch, induktiv oder kapazitiv ableitbaren Elektronenstrom dadurch gekennzeichnet, dass
• die optische Strahlung in einem elektrisch gespeistem optischen Plasma absorbiert wird und
• eine planmäßige Ladungstrennung herbeigeführt wird.
2) Vorrichtungen zur Energieumwandlung von optischer Strahlung in Elektrizität durch
• Absorption der Strahlung und Erzeugung von Ladungsträgern,
• Ladungstrennung durch Transportmechanismen, die an den physikalischen Eigenschaften der Ladungsträger angreifen und
• Überführung der Ladungsträger in einen elektrisch ohmsch, induktiv oder kapazitiv ableitbaren Elektronenstrom dadurch gekennzeichnet, dass
• die optische Strahlung in einem optischen Plasma absorbiert wird und
• eine planmäßige Ladungstrennung durch a. ein oder mehrere, b. homogene oder inhomogene, c. zeitlich stationär oder variable, magnetische Felder hervorgerufen wird.
3) Vorrichtungen zur Energieumwandlung von optischer Strahlung in Elektrizität durch
• Absorption der Strahlung und Erzeugung von Ladungsträgern, • Ladungstrennung durch Transportmechanismen, die an den physikalischen Eigenschaften der Ladungsträger angreifen und
• Überführung der Ladungsträger in einen elektrisch ohmsch, induktiv oder kapazitiv ableitbaren Elektronenstrom dadurch gekennzeichnet, dass
• die optische Strahlung in einem elektrisch gespeistem optischen Plasma absorbiert wird und
• eine planmäßige Ladungstrennung durch a. ein oder mehrere, b. homogene oder inhomogene, c. zeitlich stationär oder variable, magnetische Felder hervorgerufen wird
4) Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planmäßige Ladungstrennung durch a. ein oder mehrere, b. homogene oder inhomogene, c. zeitlich stationär oder variable, elektrische oder elektromagnetische Felder hervorgerufen wird
5) Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch gespeiste Plasma in Gasentladung, insbesondere selbständiger Gasentladung, brennt und vorzugsweise aus Metalldampf, schweren Edelgasen sowie alle Stoffe mit niedrigen Siedepunkt und hohen Absorptionskoeffizient besteht. 6) Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Spannung zur Ladungstrennung so hoch ist, dass eine (ggf. zweite) selbständige Gasentladung auf der Gasstrecke zwischen den Energieabnahmepunkten erfolgt, die ggf. elektrisch, magnetisch oder elektromagnetisch gezündet wird.
7) Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das elektrisch gespeiste Plasma in Gasentladung, insbesondere selbständiger Gasentladung, brennt und vorzugsweise aus Metalldampf und schweren Edelgasen besteht.
8) Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das als Absorber dienende Plasma durch eine Mischung von einzelnen Stoffen (Elemente, Moleküle, Aerosole, vorzugsweise Viel-Niveau-Systeme) mit derart gewählten Partialdrucke besteht, dass der Gesamtabsorptionskoeffizient des Plasma in dem interessierenden, vorzugsweise solaren, Spektralbereich, in allen Frequenzen derart maximiert (d.h. höchste optische Dichte an maximal vielen Wellenlängen) wird, das die in Plasma übergehende Energie maximiert wird.
9) Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ladungstrennung mindestens einer der Effekte aus der Reihe magnetische Blasung, Hall-Strom, Faraday-Strom, Gradientendrift, Krümmungsdrift, Pinch-Effekt, Theta-Pinch, z-Pinch, Skin-Effekt ausgenutzt wird.
10) Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur die Ladungstrennung durch mindestens einen weiteren ladungstrennende Mechanismen aus der Reihe Diffusion, Konvektion, Gravitation, Gasdynamik, Jet-Effekt, Thermionik, Resonanzen, Fluktuationen unterstützt wird.
11 ) Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Elektroden ein Bogenplasma brennt, ein stationäres Magnetfeld eine magnetische Blasung erzeugt, an dieser Stelle mit der zu wandelnden optischen Strahlung (vorzugsweise hoch bis ultra-hoch konzentrierte solare Strahlung) bestrahlt wird und die entstehende Ladungstrennung mittels zwei weiterer Elektroden für einen Verbraucher abgeführt wird.
12) Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Skineffekt in einem bestrahlten Mikrowellenplasma zur Ladungstrennung und Energieabnahme verwendet wird.
13) Verfahren zur Energieumwandlung von optischer Strahlung in Elektrizität durch • Absorption der Strahlung und Erzeugung von Ladungsträgern, • Ladungstrennung durch Transportmechanismen, die an den physikalischen Eigenschaften der Ladungsträger angreifen und
• Überführung der Ladungsträger in einen elektrisch ohmsch, induktiv oder kapazitiv ableitbaren Elektronenstrom dadurch gekennzeichnet, dass
• die optische Strahlung in einem elektrisch gespeistem optischen Plasma absorbiert wird und
• eine planmäßige Ladungstrennung herbeigeführt wird.
14) Verfahren zur Energieumwandlung von optischer Strahlung in Elektrizität durch
• Absorption der Strahlung und Erzeugung von Ladungsträgern,
• Ladungstrennung durch Transportmechanismen, die an den physikalischen Eigenschaften der Ladungsträger angreifen und
• Überführung der Ladungsträger in einen elektrisch ohmsch, induktiv oder kapazitiv ableitbaren Elektronenstrom dadurch gekennzeichnet, dass
• die optische Strahlung in einem optischen Plasma absorbiert wird und
• eine planmäßige Ladungstrennung durch a. ein oder mehrere, b. homogene öder inhomogene, c. zeitlich stationär oder variable, magnetische Felder hervorgerufen wird
15) Verfahren zur Energieumwandlung von optischer Strahlung in Elektrizität durch
• Absorption der Strahlung und Erzeugung von Ladungsträgern,
• Ladungstrennung durch Transportmechanismen, die an den physikalischen Eigenschaften der Ladungsträger angreifen und
• Überführung der Ladungsträger in einen elektrisch ohmsch, induktiv oder kapazitiv ableitbaren Elektronenstrom dadurch gekennzeichnet, dass
• die optische Strahlung in einem elektrisch gespeistem optischen Plasma absorbiert wird und
• eine planmäßige Ladungstrennung durch a. ein oder mehrere, b. homogene oder inhomogene, c. zeitlich stationär oder variable, magnetische Felder hervorgerufen wird
16) Verfahren zur Energieumwandlung nach einem der Ansprüchen 13, 14 oder 15 dadurch gekennzeichnet, dass die planmäßige Ladungstrennung durch d. ein oder mehrere, e. homogene oder inhomogene, f. zeitlich stationär oder variable, elektrische oder elektromagnetische Felder hervorgerufen wird.
17) Verfahren zur Energieumwandlung nach einem der Ansprüche 13 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass das optischen Plasma, welches als Absorber dient, in selbständiger Gasentladung erzeugt wird.
18) Verfahren zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungstrennung für den Verbraucherstromkreis in selbständiger Gasentladung abläuft. 19) Verfahren und Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das als Absorber dienende optische Plasma durch Verfahren und Vorrichtungen gemäß der Schrift EP1298707A2 erzeugt wird und hier diese Verfahren und Vorrichtungen eine neue Verwendung erhalten.
20) Verfahren und Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das als Absorber dienende optische Plasma unter neuer Verwendung der Verfahren und Vorrichtungen nach Stand der Technik für Plasmastrahlungsquellen (Lichtbogenbrenner), insbesondere hochintensive Entladungslampen, und insbesondere zu den Strahlungsquellen einhergehende elektrische
Vorschaltgeräte erzeugt wird.
21) Verfahren und Vorrichtungen zur Energieumwandlung nach einem oder mehreren vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das als Absorber dienende optische Plasma durch Verfahren und Vorrichtungen erzeugt wird, die gemäß dem Stand der Technik aus IPC HOU, H01T, H05H und H05B bekannt sind und hier eine neue Verwendung erhalten.
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