AT525851B1 - Method and device for thermoelectric conversion by mediating centrifugal force - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren und eine dafür verwendete Vorrichtung bereitgestellt, die durch die Nutzung der Zentrifugalkraft als richtungsgebende Ordnungskraft in Verbindung mit einer energetischen Mindestunterstützung in Form einer geregelten Vorspannung eine thermoelektrische Konversion ermöglicht, ohne auf die Gegebenheit eines Temperaturgefälles angewiesen zu sein. Das als Konvertersubstrat dienende Festkörpergefüge (1) besteht aus partikulär strukturierten elektrischen Leitern bzw. Halbleitern, vorzugsweise aus einem adäquat verdichteten Gemisch mindestens zweier Arten von Mikropartikeln (3a, 3b), deren formbildende Stoffe in der thermoelektrischen Spannungsreihe möglichst weit auseinanderliegen. In der einfachsten Ausführungsform ist es scheibenringförmig auf dem Zentrifugenrotor (4) aufgebracht. Es wird angenommen, dass die Zentrifugalkraft über eine Translokation von Ladungsträgerturbulenzen in den Grenzflächenbereichen der Mikropartikel wirksam wird.A method and a device used for this purpose are provided which, by using centrifugal force as a directional ordering force in conjunction with a minimum energetic support in the form of a regulated bias voltage, enables thermoelectric conversion without having to rely on the existence of a temperature gradient. The solid structure (1) serving as a converter substrate consists of particulate structured electrical conductors or semiconductors, preferably of an adequately compacted mixture of at least two types of microparticles (3a, 3b), the shape-forming substances of which are as far apart as possible in the thermoelectric voltage series. In the simplest embodiment, it is applied to the centrifuge rotor (4) in the form of a disk ring. It is assumed that the centrifugal force takes effect via a translocation of charge carrier turbulence in the interface areas of the microparticles.
Description
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dafür verwendete Vorrichtung zur thermoelektrischen Konversion durch Vermittlung der Zentrifugalkraft. [0001] The present invention relates to a method and a device used therefor for thermoelectric conversion by means of centrifugal force.
[0002] Die Suche nach effizienten Verfahren zur Erzeugung erneuerbarer Energien hat zahlreiche technische Entwicklungen zur Folge gehabt, die sich insbesondere auf die Nutzung der Sonnenenergie, der Windenergie, der Wasserenergie und der Geothermischen Energie stützen und die Konversion dieser Energieformen in universell einsetzbare elektrische Energie zum Ziel haben. Eine direkte Konversion von Umgebungswärme in elektrische Energie ohne die Nutzung eines energetischen Gefälles in Form eines thermischen Gradienten als denkbar günstigste Alternative mit weitreichenden Folgen für die allgemeine Energieversorgung gilt jedoch als unvereinbar mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und deshalb als nicht realisierbar. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren sowie eine dafür verwendete Vorrichtung bereitgestellt, die durch die Nutzung der Zentrifugalkraft als einer richtungsgebenden Ordnungskraft in Verbindung mit einer energetischen Mindestunterstützung in Form einer geregelten Vorspannung die angestrebte thermoelektrische Konversion ermöglichen könnte. Für die betreffende Vorrichtung wird im Folgenden die Bezeichnung Thermoelektrische Zentrifuge (TEZ) verwendet. The search for efficient processes for generating renewable energies has resulted in numerous technical developments, which are based in particular on the use of solar energy, wind energy, water energy and geothermal energy and the conversion of these forms of energy into universally usable electrical energy To have a goal. However, a direct conversion of ambient heat into electrical energy without the use of an energy gradient in the form of a thermal gradient as the cheapest alternative with far-reaching consequences for the general energy supply is considered to be incompatible with the second law of thermodynamics and therefore not feasible. The present invention provides a method and a device used therefor, which could enable the desired thermoelectric conversion by using centrifugal force as a directional ordering force in conjunction with a minimum energetic support in the form of a regulated bias voltage. The term thermoelectric centrifuge (TEZ) is used below for the device in question.
[0003] Die Idee der Thermoelektrischen Zentrifuge basiert auf kürzlich erhobenen Befunden, nach denen in einem Festkörpergefüge aus mikropartikulär strukturierten elektrischen Halbleitern durch Vermittlung der irdischen Gravitationskraft eine thermogene Beschleunigung freier Elektronen in ihre Gegenrichtung begünstigt wird (https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.2059587). Diese wahrscheinlich grenzschichtenassoziierte Funktionalität führt nach Schließung eines Stromkreises über einen nachgeschalteten (invertierenden) Operationsverstärker zu einem berechenbaren Elektronenstrom aus dem konditionierten Festkörpergefüge. Die Entwicklung dieses Elektronenstroms ist auf die energetische Rückwirkung des nachgeschalteten Verstärkers angewiesen (was als Tribut an den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstanden werden könnte). Es hatte sich ferner ergeben, dass die tagesrhythmischen Veränderungen des Gravitationsfeldes der Erde über die Gleichrichtung des Elektronenstroms hinaus die thermoelektrische Konversionsleistung beeinflusst. Eingedenk des Aquivalenzprinzips lag deshalb der Schluss nahe, dass die thermoelektrische Konversion in ähnlicher Weise, jedoch mit dem Vorteil einer potenziell höheren Effizienz durch die Zentrifugalkraft vermittelt und kontrolliert werden kann. Für die Berechnung des Wirkungsgrades einer auf diesem Prinzip basierenden Zentrifuge ist allerdings auch die für ihren mechanischen Antrieb erforderliche Energie zu berücksichtigen, die unter Steady State-Bedingungen insbesondere durch Reibungsverluste (Luft- und Lagerreibung) bestimmt wird. [0003] The idea of the thermoelectric centrifuge is based on recently collected findings, according to which a thermogenic acceleration of free electrons in their opposite direction is promoted in a solid structure made of microparticulate structured electrical semiconductors through the earth's gravitational force (https://dx.doi.org/ 10.6084/m9.figshare.2059587). After closing a circuit via a downstream (inverting) operational amplifier, this functionality, which is probably associated with a boundary layer, leads to a calculable flow of electrons from the conditioned solid structure. The development of this electron flow depends on the energetic feedback of the downstream amplifier (which could be understood as a tribute to the second law of thermodynamics). It was also found that the daily rhythmic changes in the earth's gravitational field influence the thermoelectric conversion performance beyond the rectification of the electron flow. Bearing in mind the equivalence principle, it was therefore reasonable to conclude that thermoelectric conversion could be mediated and controlled by centrifugal force in a similar manner, but with the advantage of potentially greater efficiency. However, when calculating the efficiency of a centrifuge based on this principle, the energy required for its mechanical drive must also be taken into account, which under steady state conditions is determined in particular by friction losses (air and bearing friction).
[0004] Um die technische Realisierung der Thermoelektrischen Zentrifuge sowie ihre Funktionsweise und mögliche Anwendungen im Einzelnen zu erläutern, wird auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen: In order to explain the technical implementation of the thermoelectric centrifuge as well as its functionality and possible applications in detail, reference is made to the following drawings:
[0005] Fig. 1: Symbolhafte Darstellung des Schnitts durch eine Thermoelektrische Zentrifuge Fig. 1: Symbolic representation of the section through a thermoelectric centrifuge
[0006] Fig. 2: Messkreis zur Ermittlung des situativen Gleichgewichtspotentials einer Thermoelektrischen Zentrifuge unter Laborbedingungen Fig. 2: Measuring circuit for determining the situational equilibrium potential of a thermoelectric centrifuge under laboratory conditions
[0007] Fig. 3: Funktionelle Umgebung einer im technischen Maßstab realisierten Thermoelektrischen Zentrifuge. Fig. 3: Functional environment of a thermoelectric centrifuge realized on an industrial scale.
[0008] Wichtigstes Funktionselement der Thermoelektrischen Zentrifuge ist das Konvertersubstrat in Form eines geeigneten mikropartikulären Festkörpergefüges 1. Im Interesse der Prozessoptimierung, d.h. einer Erhöhung der hier angenommenen grenzschichtenassoziierten Ladungsträgerturbulenzen, besteht es, wie aus dem mikroskopischen Ausschnitt 2 hervorgeht, aus einem adäquat verdichteten Gemisch mindestens zweier Arten elektrisch leitender Mikropartikel 3a, 3b, die sich in physiko-chemischer Hinsicht dadurch voneinander unterscheiden, dass ihre Jeweils formbildenden Stoffe in der thermoelektrischen Spannungsreihe möglichst weit auseinanderliegen (z.B. Graphit/Silizium). Nach derzeitigem Kenntnisstand ist allerdings nicht auszuschlie-The most important functional element of the thermoelectric centrifuge is the converter substrate in the form of a suitable microparticulate solid structure 1. In the interest of process optimization, i.e. an increase in the boundary layer-associated charge carrier turbulence assumed here, it consists, as can be seen from the microscopic section 2, of at least an adequately compacted mixture two types of electrically conductive microparticles 3a, 3b, which differ from one another in physico-chemical terms in that their respective shape-forming substances are as far apart as possible in the thermoelectric voltage series (e.g. graphite/silicon). However, based on current knowledge, it cannot be ruled out
ßen, dass statt des partikulären Festkörpergefüges 1 auch ein homogener Festkörper, der aus entsprechend gestalteten und interagierenden molekularen oder supramolekularen Strukturkomponenten (auch in Form eingebetteter Mikropartikel) besteht, die besagte thermoelektrische Konversion bewirken kann. Das mikropartikuläre Festkörpergefüge 1 ist auf dem Zentrifugenrotor 4 scheibenringförmig um dessen Rotationsachse angeordnet. Ein Isolator 5 trennt die als Pluspol oder Elektronen-Akzeptor dienende periphere Elektrode 6 von der als Minuspol oder ElektronenDonator dienenden zentralen Elektrode 7. Entsprechende Kollektoren 8a, 8b sind für die Anbindung an den äußeren Stromkreis vorgesehen. Zur Spannungsvervielfachung können entweder mehrere Scheiben dieser Art konzentrisch aneinandergefügt und/oder das ringförmig angeordnete Festkörpergefüge 1 bei entsprechend angepasster Bauweise sektoral aufgeteilt und derart leitend miteinander verbunden werden, dass Elektronenstrom und Zentrifugalkraft stets gegeneinander gerichtet sind. Das koaxiale Antriebsrad 9 symbolisiert die verschiedenartigen Antriebsmöglichkeiten nach dem Stand der Technik, die sich insbesondere an der Baugröße auszurichten haben. ßen that instead of the particulate solid structure 1, a homogeneous solid consisting of appropriately designed and interacting molecular or supramolecular structural components (also in the form of embedded microparticles) can also bring about the said thermoelectric conversion. The microparticulate solid structure 1 is arranged on the centrifuge rotor 4 in the shape of a disk ring around its axis of rotation. An insulator 5 separates the peripheral electrode 6, which serves as the positive pole or electron acceptor, from the central electrode 7, which serves as the negative pole or electron donor. Corresponding collectors 8a, 8b are provided for the connection to the external circuit. To multiply the voltage, either several disks of this type can be joined together concentrically and/or the ring-shaped solid structure 1 can be divided into sectors with an appropriately adapted design and connected to one another in such a conductive manner that the electron current and centrifugal force are always directed against one another. The coaxial drive wheel 9 symbolizes the various drive options according to the state of the art, which have to be aligned in particular with the size.
[0009] Nach jetzigem Kenntnisstand ist es erforderlich, die thermoelektrische Konversion und damit den ihr entstammenden Elektronenstrom auch im Falle einer Vermittlung des Prozesses durch die Zentrifugalkraft mit Hilfe einer stetig nachgeführten Vorspannung fortschreitend zu entwickeln, bis ein Gleichgewichtspotential erreicht ist, das den funktionellen Eigenschaften des rotierenden Konverters und der aktuell verfügbaren Wärme entspricht. Dessen ungeachtet sind Stromdurchbrüche bei sehr hohen Beschleunigungswerten nicht auszuschließen. According to the current state of knowledge, it is necessary to progressively develop the thermoelectric conversion and thus the resulting electron current, even if the process is mediated by the centrifugal force, with the help of a constantly adjusted bias voltage until an equilibrium potential is reached that corresponds to the functional properties of the rotating converter and the currently available heat. Regardless of this, current breakthroughs cannot be ruled out at very high acceleration values.
[0010] Unter konstanten Laborbedingungen ist das situative Gleichgewichtspotential der Thermoelektrischen Zentrifuge mit Hilfe eines leistungsadaptierten Operationsverstärkers 10 darzustellen. Bei beispielhaft angenommener Gleichheit des Last- bzw. Eingangswiderstandes 11 und des Rückkopplungswiderstandes 12 stellt sich am Ausgang des invertierenden Operationsverstärkers 10 (angenähert) der negative Wert der bei A und B bzw. C anliegenden und durch den Lastwiderstand 11 in Anspruch genommenen Ausgangsspannung der Thermoelektrischen Zentrifuge ein. B und C (als virtueller Massepunkt) streben aus systemischen Gründen das gleiche Potential an. Der der thermoelektrischen Konversion entstammende elektrische Leistungsanteil ist deshalb im Gleichgewichtszustand als im Wesentlichen eigenständig anzusehen. Bei konstanter Konversionsrate besteht er auf der Basis eines instabilen Gleichgewichts unter Nutzung minimaler Unterstützungskräfte fort. Under constant laboratory conditions, the situational equilibrium potential of the thermoelectric centrifuge can be represented using a power-adapted operational amplifier 10. If, for example, the load or input resistor 11 and the feedback resistor 12 are assumed to be equal, the output voltage of the thermoelectric centrifuge that is present at A and B or C and used by the load resistor 11 is (approximately) the negative value of the output voltage of the thermoelectric centrifuge at the output of the inverting operational amplifier 10 a. B and C (as a virtual ground point) strive for the same potential for systemic reasons. The electrical power component resulting from the thermoelectric conversion is therefore to be viewed as essentially independent in the equilibrium state. If the conversion rate is constant, it persists on the basis of an unstable equilibrium using minimal supporting forces.
[0011] Die dem situativen Gleichgewichtspotential entsprechende thermoelektrische Konversionsleistung wird in wesentlichem Maße durch die Rotationsgeschwindigkeit der Thermoelektrischen Zentrifuge bestimmt. Sie kann jedoch durch Einspeisung eines veränderbaren Steuerstroms aus einer externen Quelle in Grenzen modifiziert werden. Dabei wird der Umgebung der Zentrifuge entsprechend mehr oder weniger Wärme über die thermoelektrische Konversion entzogen. The thermoelectric conversion performance corresponding to the situational equilibrium potential is largely determined by the rotation speed of the thermoelectric centrifuge. However, it can be modified within limits by feeding in a variable control current from an external source. More or less heat is removed from the environment of the centrifuge via thermoelectric conversion.
[0012] Bei einer im großtechnischen Maßstab realisierten Thermoelektrischen Zentrifuge liefert ein Generator 13 den Unterstützungsstrom zur Unterhaltung der stetig nachzuführenden elektrischen Vorspannung für die Entwicklung der am Lastwiderstand 14 verfügbaren Zentrifugenleistung. Letztere kann über eine Steuerspannung 15 und den Regelschaltkreis 16 des Generators 13 beispielsweise unter Einbezug eines regelbaren Außenwiderstandes 17 im Hauptstromkreis innerhalb der Leistungsbreite des Systems an die aktuellen Erfordernisse angepasst werden. Der über den Lastwiderstand 14 und den Außenwiderstand 17 des Generators fließende und dort wiederum in Wärme umgesetzte Elektronenstrom kann in einer veränderten peripheren Umgebung bei entsprechender Leistungsanpassung ganz oder in Teilen einer alternativen Nutzung, z.B. einer elektromechanischen oder elektrochemischen Energiekonversion (Elektrolyse, Aufladung elektrischer Akkumulatoren) zugeführt werden. In a thermoelectric centrifuge implemented on an industrial scale, a generator 13 supplies the support current to maintain the electrical bias voltage that is to be continuously updated for the development of the centrifuge power available at the load resistor 14. The latter can be adapted to the current requirements within the performance range of the system via a control voltage 15 and the control circuit 16 of the generator 13, for example by including an adjustable external resistance 17 in the main circuit. The electron current flowing over the load resistor 14 and the external resistor 17 of the generator and converted there into heat can be supplied in whole or in part to an alternative use, for example an electromechanical or electrochemical energy conversion (electrolysis, charging of electrical accumulators), in a changed peripheral environment with appropriate power adjustment become.
[0013] Die in den Konversionsprozess der Thermoelektrischen Zentrifuge eingehende Wärme wird unmittelbar dem umgebenden Medium des Zentrifugenrotors (in der Regel Luft) entzogen, wobei eine geeignete Bauform des Zentrifugenrotors 4 für eine ausreichende Konvektion bei möglichst geringen Reibungsverlusten zu sorgen hat, um die Beeinträchtigung des Wirkungsgra-The heat entering the conversion process of the thermoelectric centrifuge is immediately removed from the surrounding medium of the centrifuge rotor (usually air), with a suitable design of the centrifuge rotor 4 having to ensure sufficient convection with the lowest possible friction losses in order to prevent impairment of the efficiency
des zu minimieren. Vorteile in dieser Hinsicht bietet die Nutzung von Wärme aus radioaktiven Zerfallsprozessen mit der Möglichkeit einer unmittelbaren Umwandlung in elektrische Energie (z.B. in der Raumfahrt). Der nukleare Brennstoff wäre in diesem Fall mit dem zur thermoelektrischen Konversion ertüchtigten Festkörpergefüge 1 im Zentrifugenrotor 4 in eine gut wärmeleitende Verbindung zu bringen oder in das Festkörpergefüge 1 zu integrieren. Vorrichtungen solcher Art können im Vakuum betrieben werden. The use of heat from radioactive decay processes with the possibility of direct conversion into electrical energy (e.g. in space travel) offers advantages in this respect. In this case, the nuclear fuel would have to be brought into a good heat-conducting connection with the solid-state structure 1 in the centrifuge rotor 4, which has been upgraded for thermoelectric conversion, or integrated into the solid-state structure 1. Devices of this type can be operated in a vacuum.
[0014] Prinzipiell könnte die Thermoelektrische Zentrifuge auch zur Kühlung von Räumen oder Behältern geeignet sein, wobei die thermoelektrische Konversionsleistung über die oben erwähnten Steuerungsmechanismen erhöht und der elektrische Energieüberschuss als (nutzbares) Aquivalent der entzogenen thermischen Energie aus den betreffenden Räumen oder Behältern herausgeleitet wird. [0014] In principle, the thermoelectric centrifuge could also be suitable for cooling rooms or containers, with the thermoelectric conversion power being increased via the above-mentioned control mechanisms and the excess electrical energy being led out of the relevant rooms or containers as a (usable) equivalent of the extracted thermal energy.
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