Vorrichtung zu Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie Device for converting thermal energy into electrical energy
Beschreibungdescription
Die Erfindung Beschäftigt sich mit der Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, insbesondere der Erzeugung von Strom durch Solarenergie, durch einen thermoelektrischen Kreisprozess.The invention deals with the conversion of heat energy into electrical energy, in particular the generation of electricity by solar energy, by a thermoelectric cycle.
Zahlreiche Wege zur Wandlung thermischer Energie in elektrische Energie sind bekannt und werden zum Teil auch erfolgreich angewandt. Häufig werden Dampfkraftwerke verwendet. Durch Wärme wird Dampferzeugt welcher Turbinen, die an Generatoren gekoppelt sind, antreibt. Auch der Stirlingmotor ist ein seit langem bekannter Weg, Wärme in mechanische Energie und dann in Strom umzuwandeln. Theoretisch bietet dieser auch das Potential den Wirkungsgrad des Carnot- Kreisprozesses zu erreichen. In der Praxis ergeben sich jedoch zahlreiche Einschränkungen. So stellen vor allem beim Stirlingmotor die notwendigerweise hohen Temperaturen, welchen die beweglichen Teile ausgesetzt sind, ein Problem dar. Außerdem wird der ideale Prozess beim Stirlingmotor bauartbedingt, unter anderem durch die Kreisbewegung und die schnelle Taktrate, welche nur einen unvollständigen Wärmeübergang in das Arbeitsgas ermöglicht, bei weitem nicht erreicht. Zur Gewinnung von elektrischer Energie werden seit einiger Zeit vermehrt Brennstoffzellen eingesetzt. Diese benötigen keine Wärme, sondern wandeln chemische Energieträger, relativ effizient und auf direktem Wege in einer elektrochemischen Zelle zu Strom. Leider eignen sich herkömmliche Brennstoffzellensysteme nicht zur Wandlung von Wärme in Strom. Sie benötigen einen chemischen Energielieferanten, zum Beispiel Wasserstoff, um einen Transport von Ladungsträgern in einem Elektrolyten durch Reduktion und Oxidation zu unterhalten. So sind, diese Systeme nicht zur direkten Gewinnung von elektrischer Energie aus Sonnenstrahlung geeignet. Weiterhin sind viele Bauarten von Brennstoffzellen im Betrieb auf eine spezielle und relativ reine Zufuhr des Brennstoffes als Gas angewiesen. Um in Brennstoffzellen weitere Energieträger, beispielweise Biogas oder gar Kohle, nutzen zu können, sind energieaufwendige Verfahrens- und Reformierschritte notwendig.Numerous ways to convert thermal energy into electrical energy are known and are sometimes successfully applied. Frequently, steam power plants are used. By heat, steam is generated which drives turbines that are coupled to generators. Also, the Stirling engine is a long-known way to convert heat into mechanical energy and then into electricity. Theoretically, this also offers the potential to achieve the efficiency of the Carnot cycle. In practice, however, there are many limitations. Thus, the Stirling engine in particular, the necessarily high temperatures to which the moving parts are exposed, a problem dar. In addition, the ideal process in the Stirling engine due to design, including through the circular motion and the fast clock rate, which allows only an incomplete heat transfer into the working gas , far from achieved. For the production of electrical energy, fuel cells have been increasingly used for some time. These do not require heat, but convert chemical energy sources to electricity relatively efficiently and directly in an electrochemical cell. Unfortunately, conventional fuel cell systems are not suitable for converting heat into electricity. They require a chemical energy source, for example hydrogen, to promote the transport of charge carriers in an electrolyte through reduction and oxidation. Thus, these systems are not suitable for the direct extraction of electrical energy from solar radiation. Furthermore, many types of fuel cell in operation rely on a special and relatively pure supply of the fuel as a gas. In order to use in fuel cells other energy sources, such as biogas or even coal, energy-consuming process and reforming steps are necessary.
Als direkte Möglichkeit eine beliebige Wärmequelle zur Gewinnung von elektrischer Energie wurde die Nutzung eines Druckgradienten welcher eine elektrochemische Zelle antreibt, in Verbindung mit einem Kreisprozess, vorgeschlagen. So wird im Alkali-Metall-
Thermoelektrischen-Konverter Natrium oder Kalium durch Wärmezufuhr in Dampfform überfuhrt und ein Druck aufgebaut, welcher zu einem Fluss von Ionen über einem Festelektrolyten hin zum Kompartiment mit niederem Druck, wo eine Kondensation erfolgt, führt. Durch Oxidation und Reduktion an den zwei Elektroden des Keramikelektrolyten wird ein Strom erzeugt. Dieser Typ von Thermoelektrischem Konverter hat unter anderem die Nachteile, dass die Metalle relativ korrosiv sind. Auch muss der Konverter, bedingt durch den hohen Siedpunkt der Metalle, bei hohen Temperaturen betrieben werden, was auch ein hohes unteres Temperaturniveau mit einschließt, und somit zu einem relativ geringen Wirkungsgrad im Sinne des Carnot-Prozesses fuhrt. Weiterhin stellt die begrenzte Leitfähigkeit der Ionenleiter in diesem Fall ein Problem dar. Eine weitere Entwicklung auf diesem Gebiet ist das Patent von Robert, E. (US 4.677.038, 1987) in dem zwei elektrochemische Zellen in einem Kreisprozess verbunden sind. Eine Zelle erzeugt durch Zufuhr von Strom durch Transport eines Gases über einen Elektrolyten in ionisierter Form, verbunden mit Reduktion und Oxidation, einen Druckgradienten. Eine zweite Zelle wird bei einer hohen Temperatur betrieben und nutzt den aufgebauten Gradienten zur Erzeugung von Strom. Dabei wird durch die höhere Temperatur der zweiten Zelle eine größere Spannung und somit größere Menge an elektrischer Arbeit freigesetzt, als zum Aufbau des Druckgradienten in der ersten Zelle idealerweise erforderlich ist. Eine sinnvolle Fortführung dieser Idee stellt das Patent von Johnnson, L. (WO 02/11220) dar, wobei zwischen den beiden elektrochemischen Zellen beim Transport des Gases zusätzlich ein Wärmetausch erfolgt, was eine Annäherung des Wirkungsgrades an den theoretischen Ericsson-Prozess ermöglicht. Trotz der Vorzüge dieser letztgenannten Erfindung bestehen einige Nachteile. Die elektrochemische Zelle zum Aufbau des Druckgradienten wird bei niedrigen Temperaturen betrieben. In diesem Bereich sind effiziente Zellen meist nur durch Einsatz von besonderen und aufwendigen Elektroden und Membranmaterialien möglich.As a direct possibility, any heat source for the production of electrical energy has been the use of a pressure gradient which drives an electrochemical cell, in conjunction with a cyclic process proposed. So is in the alkali-metal Thermoelectric converter sodium or potassium converted by supplying heat in vapor form and built up a pressure which leads to a flow of ions over a solid electrolyte to the low pressure compartment, where condensation takes place. By oxidation and reduction at the two electrodes of the ceramic electrolyte, a current is generated. One of the disadvantages of this type of thermoelectric converter is that the metals are relatively corrosive. Also, the converter, due to the high boiling point of the metals, must be operated at high temperatures, which also includes a high lower temperature level, and thus leads to a relatively low efficiency in terms of the Carnot process. Furthermore, the limited conductivity of the ionic conductors in this case poses a problem. Another development in this field is the patent of Robert, E. (US 4,677,038, 1987) in which two electrochemical cells are connected in a cyclic process. A cell produces a pressure gradient by supplying current by transporting a gas through an electrolyte in ionized form associated with reduction and oxidation. A second cell is operated at a high temperature and uses the established gradient to generate electricity. In this case, the higher temperature of the second cell releases a greater voltage and thus greater amount of electrical work than is ideally required to build up the pressure gradient in the first cell. A meaningful continuation of this idea is the patent of Johnnson, L. (WO 02/11220), wherein between the two electrochemical cells in the transport of the gas additionally heat exchange takes place, which allows an approximation of the efficiency of the theoretical Ericsson process. Despite the merits of this latter invention, there are some disadvantages. The electrochemical cell for building up the pressure gradient is operated at low temperatures. In this area, efficient cells are usually only possible by using special and elaborate electrodes and membrane materials.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, die durch möglichst einfache Mittel eine effiziente Erzeugung von elektrischem Strom aus Wärme ermöglicht. Insbesondere die Erzeugung elektrischer Energie aus Sonnenstrahlung mit einem hohen Wirkungsgrad ist das Ziel der Erfindung.The aim of the present invention is a device which allows the simplest possible means an efficient generation of electric power from heat. In particular, the generation of electrical energy from solar radiation with a high efficiency is the aim of the invention.
Erreicht wird dies durch ein geschlossenes System, in welchem durch einen mechanischen Verdichter in einem Raum ein erhöhter Partialdruck von Wasserstoff oder Sauerstoff erzeugt wird, wobei gleichzeitig ein Raum mit verringertem Druck vorliegt. Die mechanische
Verdichtung erfolgt unter Abfuhr von Wärme durch Flüssigkeits- oder Gaskühlung bei einer niedrigen Temperatur. Bei einer hohen Temperatur wird unter Zufuhr von Wärme eine Konzentrationszelle bestehend aus einem Feststoffionenleiter betrieben. Dabei bildet der Elektrolyt eine Grenze zwischen dem Raum mit hohen und dem Raum mit niedrigerem Partialdruck. Am Elektrolyten sind jeweils an den Oberflächen, welche den beiden Räumen zugewandt sind, Elektroden angebracht. Diese elektrochemische Konzentrationszelle erzeugt, unter Zufuhr von Wärme bei einem hohen Temperaturniveau, durch einen von der Partialdruckdifferenz hervorgerufenen Ionenfluss, elektrische Energie. Die Wärme des im Raum geringen Druckes von der Zelle abgeführten Wasserstoffes oder Sauerstoffes wird zur Erwärmung des verdichteten Wasserstoffes oder Sauerstoffes, welcher im Raum hohen Druckes der Zelle zugeführt wird, verwendet.This is achieved by a closed system in which an increased partial pressure of hydrogen or oxygen is generated by a mechanical compressor in a room, at the same time having a reduced pressure space. The mechanical Compression takes place with dissipation of heat by liquid or gas cooling at a low temperature. At a high temperature, a concentration cell consisting of a solid ion conductor is operated while supplying heat. The electrolyte forms a boundary between the room with high and the space with lower partial pressure. At the electrolyte electrodes are each attached to the surfaces which face the two rooms. This electrochemical concentration cell generates electric energy by supplying heat at a high temperature level by an ion flux caused by the partial pressure difference. The heat of the hydrogen or oxygen removed from the cell in the low pressure chamber is used to heat the compressed hydrogen or oxygen supplied in the high pressure chamber of the cell.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass im Vergleich zur reinen mechanischen Wärmekraftmaschine keine bewegten Teile hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Weiterhin läuft der Prozess bei hohen Temperaturen kontinuierlich ab. Da im Gegensatz zum sogenannten Amtec Konverter Wasserstoff oder Sauerstoff an Stelle von Alkalimetallen verwendet wird, ergeben sich im Hinblick auf Elektrolyteigenschaften, Thermodynamik, Phasenwechsel, Korrosion und Lebensdauer der Elektroden Vorteile. Weiterhin stellt die Nutzung von einfachen verfügbaren, aber dennoch effizienten elektromechanischen Bauteilen zur Verdichtung, ein Potential zur Reduktion von Kosten gegenüber dem Aufbau einer Partialdruckdifferenz durch Elektrolysezellen dar. Auch kann beim Einsatz effektiver Elektromaschinen und einer intensiven annähernd isothermalen Kühlung bei der Verdichtung eine sehr gute Gesamteffizienz erreicht werden und welche selbst im Vergleich zu teuren Polymerelektrolyt-Zellen bessere Werte erwarten lässt. Die Erfindung bildet so eine Zusammenführung des bewährten einfachen mechanischen Prinzips des Stirling-Motors, mit den Vorzügen der direkten, von Brennstoffzellen bekannten, elektrochemischen Energiewandlung, welche keine bewegten Teile bei hoher Temperatur benötigt.The advantages achieved by the invention are, in particular, that in comparison to the pure mechanical heat engine no moving parts are exposed to high temperatures. Furthermore, the process runs continuously at high temperatures. Since, in contrast to the so-called Amtec converter, hydrogen or oxygen is used instead of alkali metals, there are advantages in terms of electrolyte properties, thermodynamics, phase change, corrosion and lifetime of the electrodes. Furthermore, the use of simple, yet efficient, electromechanical components for compression presents a potential for reducing costs over the construction of a partial pressure differential by electrolysis cells. Also, using efficient electric machines and intensive near-isothermal cooling in compression can provide very good overall efficiency be achieved and which can expect even better values compared to expensive polymer electrolyte cells. The invention thus forms a combination of the proven simple mechanical principle of the Stirling engine, with the benefits of direct, known from fuel cells, electrochemical energy conversion, which requires no moving parts at high temperature.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfuhrungsbeispiels und mit Bezug auf die beiden Zeichnungen veranschaulicht, in denenIn the following the invention is illustrated by means of an exemplary embodiment and with reference to the two drawings in which
Fig. 1 den schematischen Aufbau der Vorrichtung zeigt
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, wobei Solare Wärme zur Stromgewinnung genutzt wird, zeigt.Fig. 1 shows the schematic structure of the device Fig. 2 shows an embodiment of the device, wherein solar heat is used to generate electricity shows.
Fig.3 den der Vorrichtung entsprechenden theoretischen Ercisson- Kreisprozess zeigt.Fig.3 shows the device corresponding to the theoretical Ercisson cycle.
Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wandlung von Wärme in elektrische Energie einen Festelektrolyten, welcher zwei Räume 1, 2 in einem geschlossenen System gasdicht abtrennt. Dabei wird innerhalb des Systems durch einen mechanischen Verdichter 3 eine Druckdifferenz zwischen den beiden Räumen erzeugt. An dem Elektrolyten 4 sind Elektroden 5, 6 angebracht. An den Elektroden erfolgt eine Reduktion und Oxidation. Das Arbeitsgas 7, welches Wasserstoff oder Sauerstoff ist, oder Anteile von Wasserstoff und Sauerstoff enthält, wird ionisiert und kann bei hoher Temperatur durch den Elektrolyten 4 hindurchtreten. Die Triebkraft dieses Prozesses bildet die Partialdruckdifferenz auf den beiden Seiten. Der Verdichter 3 wird durch Kühlung 8 bei einer Temperatur T2 betrieben, die unterhalb der Betriebstemperatur Tl der elektrochemischen Konzentrationszelle liegt. Der Vorgang in der Elektrochemischen Zelle erfolgt unter Zufuhr von Wärmeenergie QTl. Dieser Schritt im Kreisprozess entspricht der isothermalen Expansion in einem Stirling- oder genauer Ericssonmotor. Die Wärme des Gases 2, welches in heißem und entspanntem Zustand die elektrochemische Zelle verlässt, wird in einem Wärmetauscher 9 auf das komprimierte Gas 1, welches der Zelle zugeführt wird übertragen. Dieser Vorgang entspricht der internen isobaren Erwärmung und isobaren Abkühlung im Ericsson Prozess. Die Leerlaufspannung der Zelle ist durch die Gleichung nach Nernst beschrieben:As can be seen from the drawings, the device according to the invention for the conversion of heat into electrical energy comprises a solid electrolyte, which gas-tightly separates two chambers 1, 2 in a closed system. In this case, a pressure difference between the two spaces is generated within the system by a mechanical compressor 3. At the electrolyte 4 electrodes 5, 6 are mounted. At the electrodes there is a reduction and oxidation. The working gas 7, which is hydrogen or oxygen, or contains portions of hydrogen and oxygen, is ionized and can pass through the electrolyte 4 at high temperature. The driving force of this process is the partial pressure difference on both sides. The compressor 3 is operated by cooling 8 at a temperature T2 which is below the operating temperature Tl of the electrochemical concentration cell. The process in the electrochemical cell is carried out with the supply of heat energy QTl. This step in the cycle corresponds to the isothermal expansion in a Stirling or exact Ericsson engine. The heat of the gas 2, which leaves the electrochemical cell in the hot and relaxed state, is transferred in a heat exchanger 9 to the compressed gas 1, which is supplied to the cell. This process corresponds to the internal isobaric heating and isobaric cooling in the Ericsson process. The open circuit voltage of the cell is described by the Nernst equation:
Leerlaufspannung = R* Tl / z*F In(pl/p2)No-load voltage = R * Tl / z * F In (pl / p2)
Die für die isothermale Verdichtung notwendige Arbeit wird durch folgende Gleichung beschrieben:The work necessary for the isothermal compaction is described by the following equation:
Verdichtungsarbeit (Wärmeabfuhr) = n * R * T2 * ln Vl/V2Compaction work (heat dissipation) = n * R * T2 * ln Vl / V2
Der maximale Wirkungsgrad der Vorrichtung wird durch den Camot-Prozess vorgegeben.
Wirkungsgrad = 1 - T2 / TlThe maximum efficiency of the device is dictated by the Camot process. Efficiency = 1 - T2 / T1
Die mechanische Arbeit des Verdichters unter isothermalen Bedingungen, bei der unteren Temperatur, entspricht der durch die Kühlung abzuführenden Wärmemenge. Eine Erhöhung der Druckdifferenz fuhrt zu einer höheren Zellspannung. Die Stromstärke korreliert mit der Menge des zu verdichtenden und durch den Elektrolyten zirkulierenden Gases. Je größer die Temperaturdifferenz der Betriebstemperaturen von elektrochemische Zelle und Verdichter ist, desto großer ist der maximale Wirkungsgrad. Der elektrochemischen Zelle muss bei Betrieb kontinuierlich Wärmeenergie zugeführt werden. Der Durchtritt der Ionen im Elektrolyten von der Seite mit hohem Druck auf die Seite mit niedrigem Partialdruck entspricht der isothermalen Expansion des Gases im Stirling Motor. In beiden Fällen wird Energie in Form von Wärme zugeführt.The mechanical work of the compressor under isothermal conditions, at the lower temperature, corresponds to the amount of heat to be dissipated by the cooling. An increase in the pressure difference leads to a higher cell voltage. The current correlates with the amount of gas to be compressed and circulated through the electrolyte. The greater the temperature difference between the operating temperatures of the electrochemical cell and the compressor, the greater the maximum efficiency. The electrochemical cell must be continuously supplied with thermal energy during operation. The passage of the ions in the electrolyte from the high pressure side to the low partial pressure side corresponds to the isothermal expansion of the gas in the Stirling engine. In both cases, energy is supplied in the form of heat.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Ansprüchen 2- 10 angegeben. Um eine hohe Effizienz zur Erreichen ist ein innerer Austausch von Wärme in der Vorrichtung notwendig. Ein Wärmetauscher nach dem Gegenstrom Prinzip überträgt die Wärme des Wasserstoffes oder Sauerstoffes der abströmt auf den unter Druck zur elektrochemischen Zelle zuströmenden Gasstrom. Dies ermöglicht eine gute Annäherung an den theoretischen Carnot-Prozess. Die weitere Ausführung der Erfindung nach Anspruch 3, wobei der Verdichter als ein von einer E-Maschine angetriebener Hubkolbenverdichter ausgeführt ist, ermöglicht einen effizienten Aufbau der Verdichterstufe mit bewährten Mitteln. Um einen hohe Effizienz durch eine möglichst isothermale Verdichtung zu erreichen, bedient sich eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung in einer effizienten Kühlung, die durch direktes Einbringen des Kühlmittels in das zu verdichtende Wasser- oder Sauerstoffgas bewerkstelligt wird. Zum Beispiel kann Wasser mit einer Temperatur von 3O0C in den Zylinderraum des Verdichters eingedüst werden. In Anspruch 3 wird eine sehr vorteilhafte Weiterbildung genannt, wobei der Verdichtungsprozess sehr langsam vorgenommen wird. Durch eine Arbeitsfrequenz, die unter 6 Hz liegt, wird eine möglichst effektive und reversible Wärmeabfuhr und somit Kompression erreicht. Dies beeinflusst den Gesamtwirkungsgrad positiv. Denkbar ist darüber hinaus, dass mehrere Verdichterstufen verwendet werden. Die Nutzung von Wasserstoff als Arbeitsgas in Verbindung mit einem Protonenleiter als Elektrolytmembran wird in Anspruch 6 genannt. Vorteile des Wasserstoffs sind unter anderem die reduzierende Wirkung und die hohe Wärmeleitfähigkeit. In der
wissenschaftlichen Literatur wurden bisher insbesondere Protonenleiter vom Perovskit Typ diskutiert. Im Falle von Sauerstoff als Arbeitsgas bietet sich die Nutzung von durch Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid an, welches eine hohe Ionenleitfahigkeit besitzt. Als weitere Ausgestaltung ist in Anspruch 7 die Nutzung einer in der Geschwindigkeit variablen elektronischen Ansteuerung des Elektromotors des Verdichters angeführt. Wobei die Elektronik idealerweise auch die Möglichkeit hat, die kinetische Energie des Kolbens bei dessen Bremsung in Kondensatoren zwischenzuspeichern und wiederum zur Beschleunigung zu verwenden.Advantageous embodiments of the invention are specified in claims 2-10. In order to achieve high efficiency, internal exchange of heat in the device is necessary. A heat exchanger according to the countercurrent principle transfers the heat of the hydrogen or oxygen which flows out to the gas flow under pressure to the electrochemical cell. This allows a good approximation to the theoretical Carnot process. The further embodiment of the invention according to claim 3, wherein the compressor is designed as a driven by an electric machine reciprocating compressor, allows an efficient construction of the compressor stage with proven means. In order to achieve a high efficiency by a possible isothermal compression, uses an advantageous embodiment of the invention in an efficient cooling, which is accomplished by directly introducing the coolant into the water or oxygen gas to be compressed. For example, water can be injected into the cylinder chamber of the compressor at a temperature of 3O 0 C. In claim 3, a very advantageous development is mentioned, wherein the compression process is carried out very slowly. An operating frequency below 6 Hz achieves the most effective and reversible heat dissipation and thus compression. This positively influences the overall efficiency. It is also conceivable that more compressor stages are used. The use of hydrogen as a working gas in conjunction with a proton conductor as the electrolyte membrane is mentioned in claim 6. Advantages of hydrogen include the reducing effect and the high thermal conductivity. In the Scientific literature has been discussed in particular proton conductors of the perovskite type. In the case of oxygen as the working gas, the use of yttrium-stabilized zirconia, which has a high ionic conductivity, is suitable. As a further embodiment, the use of a variable in the speed electronic control of the electric motor of the compressor is given in claim 7. Whereby the electronics ideally also have the possibility to buffer the kinetic energy of the piston during its braking in capacitors and again to use for the acceleration.
Der Antrieb des Verdichters durch einen Linearmotor hat den Vorteil, dass kein Getriebe notwendig ist. Idealerweise wird ein Linearmotor in Synchronbauweise eingesetzt. Als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird in Anspruch 10 die Erzeugung eines Wasserdampfdruckes im System durch das Kühlwasser genannt. Zahlreiche protonenleitfahige Materialien, wie Yttrium dotiertes Bariumzirkonat, welchem gegebenenfalls kleine Anteile von Ceriumoxid beigesetzt sind und als geeignet betrachtet werden, benötigen zum Erlangen einer Leitfähigkeit in der Regel einen gewissen Wasserdampfdruck in der Umgebung. Das Kühlwasser mit einer entsprechenden Temperatur stellt diesen Dampfdruck bereit.The drive of the compressor by a linear motor has the advantage that no gear is necessary. Ideally, a linear motor is used in synchronous design. As an advantageous embodiment of the invention, the generation of a water vapor pressure in the system is called by the cooling water in claim 10. Numerous proton-conductive materials, such as yttrium-doped barium zirconate, which may contain small amounts of cerium oxide and are considered suitable, generally require some water vapor pressure in the environment to achieve conductivity. The cooling water with a corresponding temperature provides this vapor pressure.
Es folgt nun eine Erläuterung der Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführung welche durch Fig. 2 verdeutlicht wird.There now follows an explanation of the invention with reference to an exemplary embodiment which is illustrated by Fig. 2.
Durch nachfuhrbare Spiegel 10 wird Sonnenstrahlung auf einen keramischen Empfanger 11 gebündelt, der zur optimalen Absorption einer Kavität nachempfunden ist. In der Keramikstruktur sind zwei separate Hohlraumsysteme 12, 13 mit großer Oberfläche eingebracht. Die Trennwände dazwischen bestehen komplett oder zum Teil aus einem Ionenleiter 14, beispielsweise aus mit Yttrium dotiertem Bariumzirkonat, welches dicht gesintert ist und keine Gasdurchlässigkeit besitzt. Auf der Oberfläche sind Elektroden 15 aus Keramik, Metall oder einer Mischung derselbigen aufgebracht, etwa ein Nickel-Cermet. Über einem metallischen oder Keramischen Leiter 16 stehen die jeweiligen Elektroden in Verbindung und der Strom wird so gesammelt und abgeführt. Die Verwendeten Materialien weisen idealerweise einen gleichartigen thermischen Expansionskoeffizient sowie hohe Thermische Leitfähigkeit auf, um Schäden durch Temperaturschwankungen zu vermeiden. In einem mechanischen Verdichter 17, welcher durch einen Synchronen Linearmotor 18 angesteuert wird, wird das Arbeitsgas Wasserstoff von 0,5 bar auf 30 bar verdichtet. Die
Arbeitsfrequenz ist dabei etwa ein Hub pro Sekunde was einen ideale Wärmeabfuhr durch das Kühlwasser 19, welches in den Kolbenraum mit einer Temperatur von 300C eingesprüht wird, möglich macht. Das Kühlwasser wird dann mit etwa 40° entnommen und zu einem Kühlturm oder ähnlichem zirkuliert. Das Kühlwasser sorgt auch für einen entsprechenden Dampfdruck im System, welcher die Protonenleitfahigkeit des Elektrolyten unterhält. Druckspeicher 19, 20 bei Umgebungstemperatur sind dem Verdichter 17 vor- und nachgeschaltet und übernehmen eine Windkesselfunktion. Das verdichtete Wasserstoffgas 18 wird durch einen Gegenstromwärmetauscher 19, durch das aus der Zelle mit etwa 1000° C abströmende Gas 21, auf ebenfalls annähernd 1000° erhitzt, dabei kühlt sich der unter geringem Druck stehende Wasserstoff ab. Die Zelle wird möglichst konstant bei einer Temperatur von 10000C betrieben. Die Druckdifferenz führt zu einem Fluss von ionisierten Gasteilchen über die Elektrolytmembran 14 und somit zu einer Spannung, die über die Elektroden 15 und Stromsammler 16 abgeführt und genutzt werden kann. Ein Teil der Energie wird für den Betrieb des Verdichters benötigt. Die für die Verdichtung benötigte Energie ist jedoch erheblich geringer als die Energie, die durch den, der isothermalen Expansion entsprechenden, Ionenstrom bei hoher Temperatur frei wird. Der Verdichter wird über eine computergesteuerte Leistungselektronik 22 angesteuert. Diese hat auch die Aufgabe die Bewegungsenergie des Kolbens durch elektromagnetisches Bremsen und dem Laden von Kondensatoren zwischenzuspeichern und zur erneuten Beschleunigung des Kolbens zu verwenden. Um Kosten zu sparen, kann der Verdichterkolben alternativ auch über eine Kurbelwelle mit Schwungrad und einem gewöhnlichen Elektromotor mit Untersetzung angetrieben werden.By nachfuhrbare mirror 10 solar radiation is focused on a ceramic receiver 11, which is modeled on the optimal absorption of a cavity. In the ceramic structure, two separate cavity systems 12, 13 are introduced with a large surface area. The partitions in between completely or partly consist of an ion conductor 14, for example of yttrium-doped barium zirconate, which is densely sintered and has no gas permeability. On the surface electrodes 15 of ceramic, metal or a mixture derselbigen are applied, such as a nickel cermet. Via a metallic or ceramic conductor 16, the respective electrodes are in communication and the current is thus collected and removed. The materials used ideally have a similar thermal expansion coefficient as well as high thermal conductivity to avoid damage due to temperature fluctuations. In a mechanical compressor 17, which is controlled by a synchronous linear motor 18, the working gas hydrogen is compressed from 0.5 bar to 30 bar. The Working frequency is about one stroke per second which makes an ideal heat dissipation through the cooling water 19, which is sprayed into the piston chamber with a temperature of 30 0 C possible. The cooling water is then taken out at about 40 ° and circulated to a cooling tower or the like. The cooling water also provides a corresponding vapor pressure in the system, which maintains the proton conductivity of the electrolyte. Accumulator 19, 20 at ambient temperature are the compressor 17 upstream and downstream and take over a Windkesselfunktion. The compressed hydrogen gas 18 is heated by a countercurrent heat exchanger 19, by the flowing out of the cell at about 1000 ° C gas 21, also approximately 1000 °, while cools the low-pressure hydrogen from. The cell is operated as constant as possible at a temperature of 1000 0 C. The pressure difference leads to a flow of ionized gas particles over the electrolyte membrane 14 and thus to a voltage which can be dissipated and used via the electrodes 15 and current collector 16. Part of the energy is needed for the operation of the compressor. However, the energy required for compaction is significantly lower than the energy released by the ion current at high temperature, corresponding to the isothermal expansion. The compressor is controlled by a computer-controlled power electronics 22. This also has the task to temporarily store the kinetic energy of the piston by electromagnetic braking and the charging of capacitors and to use for re-acceleration of the piston. To save costs, the compressor piston can alternatively be driven by a crankshaft with flywheel and a conventional electric motor with reduction.
Die Erfindung kann ebenso genutzt werden um mit Parabolspiegel gebündelte Solare Energie in Strom umzuwandeln. In Großkraftwerken bietet sich eine zentrale Verdichtung und Kühlung des Arbeitsgases an. Dieses kann dann an zahlreiche einzelne Parabolspiegel, die im Brennpunkt mit keramischen Konzentrationszellen bestückt sind zur Gewinnung von Strom weitergeleitet werden. Auch die Nutzung der Erfindung in Parabolrinnenkraftwerken ist möglich, wobei in diesem Fall idealerweise eine länglich geformte Zelle im Brennpunkt verwendet wird. Wegen des kleineren Konzentrationsverhältnisses bietet sich in diesem Fall der Betrieb bei etwas geringeren Temperaturen an. Über die solare Nutzung hinaus, ermöglicht die vorliegende Erfindung auch die effiziente Nutzung von Verbrennungswärme jeglicher Art.
The invention can also be used to convert parabolic mirrored solar energy into electricity. In large power plants, a central compression and cooling of the working gas offers. This can then be forwarded to numerous individual parabolic mirrors, which are equipped at the focal point with ceramic concentration cells for generating electricity. Also, the use of the invention in parabolic trough power plants is possible, in which case ideally an elongated shaped cell is used in the focal point. Because of the smaller concentration ratio in this case, the operation at slightly lower temperatures offers. Beyond solar use, the present invention also enables the efficient use of combustion heat of any kind.