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DE10249503A1 - Process for energy conversion especially of thermal into electrical energy, has emitter and receiver reversibly coupled to give one hundred per cent efficiency - Google Patents

Process for energy conversion especially of thermal into electrical energy, has emitter and receiver reversibly coupled to give one hundred per cent efficiency Download PDF

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DE10249503A1
DE10249503A1 DE10249503A DE10249503A DE10249503A1 DE 10249503 A1 DE10249503 A1 DE 10249503A1 DE 10249503 A DE10249503 A DE 10249503A DE 10249503 A DE10249503 A DE 10249503A DE 10249503 A1 DE10249503 A1 DE 10249503A1
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radiation energy
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    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/30—Thermophotovoltaic systems
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Abstract

A process for energy conversion, especially of thermal into electrical energy, comprises a black body (1) radiating a corresponding power at a given temperature and a radiation receiver (2). These are so placed that by a reversible process the receiver removes the black body radiation. An Independent claim is also included for a device for the above process.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energieumwandlung und auf dessen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, um insbesondere Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln.The present invention relates on a method for energy conversion and on its device to carry out of the process to convert thermal energy into electrical energy in particular convert.

Herkömmliche Anlagen, die Verfahren zur Energieumwandlung nutzen, wie z. B. Kohlekraftwerke, haben den Nachteil, dass der Energieinhalt der Kohle nicht vollständig in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Da in einem Kohlekraftwerk die Kohle verbrannt wird und man die Wärmeenergie zunächst in mechanische Energie umwandelt, z.B. über eine Turbine, ist hierbei eine bessere Energieumwandlung, als in einem Carnot-Prozess, nicht möglich. Die Folge ist, dass stets ein Teil der Wärmeenergie nicht genutzt werden kann (Hering Martin Stohrer, Physik für Ingenieure, Seite 426, VDI Verlag Düsseldorf 1989, 2. Auflage). Dieser Umstand ist die Ursache zahlreicher Probleme betreffs einer optimaleren Energieausnutzung.Conventional plants, the process use for energy conversion, such as B. coal-fired power plants have the Disadvantage that the energy content of the coal is not completely in electrical energy can be converted. Because in a coal-fired power plant the coal is burned and you put the thermal energy in first converts mechanical energy, e.g. over a turbine, is here a better energy conversion than in a Carnot process, not possible. The result is that part of the thermal energy cannot always be used (Hering Martin Stohrer, physics for Engineers, page 426, VDI Verlag Düsseldorf 1989, 2nd edition). This is the cause of numerous problems regarding one optimal use of energy.

Zunächst die bekannten physikalischen Grundlagen, die in der Literatur nachgelesen werden können: wie Hering Martin Stohrer, Physik für Ingenieure, Seite 426, VDI Verlag Düsseldorf 1989, 2. Auflage; oder H. Wegener, Physik für Hochschulanfänger, Kapitel 20, 31 und 25, B. G. Teubner Stuttgart 1989, 2. Auflage; als auch John D. Jackson, Teilkapitel 6.8, W. de Gruyter Verlag, Berlin 1983, 2. Auflage; 4. Berber Kacher Meyer, Seite 40, Verlag Handwerk und Technik, Hamburg 1990, 13. Auflage.First the known physical Basics that can be found in the literature: how Hering Martin Stohrer, Physics for Engineers, page 426, VDI Verlag Düsseldorf 1989, 2nd edition; or H. Wegener, Physics for High school beginners, Chapters 20, 31 and 25, B.G. Teubner Stuttgart 1989, 2nd edition; as well as John D. Jackson, subsection 6.8, W. de Gruyter Verlag, Berlin 1983, 2nd edition; 4. Berber Kacher Meyer, page 40, publisher Handicrafts and technology, Hamburg 1990, 13th edition.

Als erstes soll die Strahlungsenergie eines idealen schwarzen Körpers betrachtet werden, dafür gilt das Plancksche Strahlungsgesetz:

Figure 00020001
dP ist die Strahlungsleistung einer schwarzen Fläche A in den Halbraum bei der Temperatur T im Wellenlängenbereich von λ bis λ + dλ , h, k und c sind Konstanten.The first thing to consider is the radiation energy of an ideal black body, for which Planck's law of radiation applies:
Figure 00020001
dP is the radiant power of a black area A in the half-space at temperature T in the wavelength range from λ to λ + dλ, h, k and c are constants.

Aus den bisher bekannten Prozessen zur Energieumwandlung ist stets von Nachteil, dass ein Teil der Wärmeenergie, welche in elektrische Energie umgewandelt werden soll, nicht optimal genutzt werden kann.From the previously known processes for energy conversion is always disadvantageous that part of the thermal energy, which should be converted into electrical energy, not optimal can be used.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und dessen Vorrichtung zur Energieumwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von 100% zu schaffen.The object of the invention is therefore based on a method and its device for energy conversion of thermal energy in creating electrical energy with an efficiency of 100%.

Diese Aufgabe wird mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein schwarzer Strahler und ein Empfänger so zusammengeführt werden, dass bei einer reversiblen Prozessführung der Empfänger aus dem elektromagnetischen Strahlungsfeld des schwarzen Strahlers Energie abführt.This task is done with the generic term of claim 1 according to the invention solved in that a black body and a receiver are brought together that with a reversible process control the receiver dissipates energy from the electromagnetic radiation field of the black body.

Ein idealer schwarzer Strahler gibt bei einer Temperatur T die Leistung

Figure 00030001
ab und kühlt dabei ab. Diese abgegebene Leistung erhöht die Energiedichte u(x ,t) des elektromagnetischen Feldes. Ist zum Beispiel die elektromagnetische Energiedichte u(x ,t) = 0 und hat der schwarze Strahler eine Temperatur T > 0 , dann gibt der schwarze Strahler die Energie ∫Pdt ab und erhöht die elektromagnetische Energiedichte, dabei verringert sich die Temperatur des schwarzen Strahlers. Dieser Prozess ist im Sinne der Thermodynamik reversibel, da der schwarze Strahler jede auftreffende Strahlungsenergie absorbiert, dadurch wird die ganze Energie im elektromagnetischen Feld wieder in Wärmeenergie umgewandelt und der Ausgangszustand erreicht, ohne das Änderungen verbleiben.An ideal black radiator gives the power at a temperature T.
Figure 00030001
cools down. This output increases the energy density u (x, t) of the electromagnetic field. For example, if the electromagnetic energy density u (x, t) = 0 and the black radiator has a temperature T> 0, then the black radiator emits the energy ∫Pdt and increases the electromagnetic energy density, thereby reducing the temperature of the black radiator. This process is reversible in the sense of thermodynamics, since the black radiator absorbs all incident radiation energy, which means that all the energy in the electromagnetic field is converted back into thermal energy and the initial state is reached without any changes.

Als zweiten Aspekt wird der Herzsche Dipol betrachtet. Der Herzsche Dipol kann sowohl zum Empfang als auch zum Senden elektromagnetischer Strahlungsenergie verwendet werden, d.h., dass das Empfangen und Senden elektromagnetischer Strahlungsenergie ein reversibler Prozess im Sinne der Thermodynamik ist. Um den Prozess der Umwandlung elektromagnetischer Feldenergie in elektrischen Strom zu verstehen, wird der Poyntingsche Satz in Gleichung 2 betrachtet:

Figure 00040001
SS ist der Poyntingvektor, W ist die Energie, E das elektrische Feld und j die Stromdichte.The second aspect is the Herz dipole. The Herz dipole can be used for both receiving and transmitting electromagnetic radiation energy, ie the reception and transmission of electromagnetic radiation energy is a reversible process in the sense of thermodynamics. To understand the process of converting electromagnetic field energy into electrical current, consider Poynting's theorem in Equation 2:
Figure 00040001
SS is the Poynting vector, W is the energy, E the electric field and j the current density.

Wenn die Energie, die im elektromagnetischen Feld gespeichert ist, komplett in mechanische Bewegungsenergie der elektrischen Ladungen im Dipol umgewandelt wird, dann ist die Energie des elektromagnetischen Feldes nach der Wechselwirkung mit dem Dipol gleich Null. Somit ist auch der Poyntingvektor SS gleich dem Nullvektor. Daraus folgt für die zeitliche Änderung der Gesamtenergie

Figure 00040002
und damit ist der elektromagnetische Energiefluss S durch die Oberfläche O(V) aus dem System heraus gleich Null. D. h., dass die Feldenergie komplett in elektrischen Strom umgewandelt wird. Eine Alternative zum Herzschen Dipol ist die Verwendung von Leiterschleifen. Bei diesen Empfängern von elektromagnetischer Strahlungsenergie wird unter Ausnutzung des Induktionsgesetzes elektrische Energie erzeugt. Beim Induktionsgesetz macht man sich die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses zu nutze, um eine elektrische Spannung zu erzeugen und damit dann elektrische Energie.If the energy stored in the electromagnetic field is completely converted into mechanical kinetic energy of the electrical charges in the dipole, then the energy of the electromagnetic field after the interaction with the dipole is zero. The Poynting vector SS is therefore also equal to the zero vector. It follows for the change in total energy over time
Figure 00040002
and thus the electromagnetic energy flow S through the surface O (V) out of the system is zero. This means that the field energy is completely converted into electrical current. An alternative to the Herz dipole is the use of conductor loops. With these receivers of electromagnetic radiation energy, electrical energy is generated using the law of induction. The induction law makes use of the change in the magnetic flux over time to generate an electrical voltage and then electrical energy.

Baut man nun erfindungsgemäß einen schwarzen Strahler und einen Empfänger für elektromagnetische Strahlungsenergie so zusammen, dass der Empfänger aus dem elektromagnetischem Strahlungsfeld des schwarzen Strahlers Energie abführen kann, so ist es möglich über den schwarzen Strahler Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln, bei reversibler Prozessführung. Eine solche Anlage verstößt weder gegen den ersten noch gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.Now build one according to the invention black radiator and a receiver for electromagnetic radiation energy so together that the recipient from the electromagnetic radiation field of the black body Dissipate energy can, so it is possible through the black radiator heat energy in convert electrical energy with reversible process control. A such facility neither violates against the first still against the second law of thermodynamics.

Der erste Hauptsatz wird durch eine Maschine mit dem Wirkungsgrad η = 1 nicht verletzt.The first law is replaced by a Machine with the efficiency η = 1 not injured.

Der zweite Hauptsatz ist auch erfüllt, weil der Empfänger für elektro- magnetische Strahlungsenergie auch als Sender verwendet werden kann. Eine Leiterschleife oder ein Herzscher Dipol sind in der Lage elektromagnetische Strahlungsenergie zu senden oder zu empfangen. Damit ist gezeigt, dass die Umwandlung von elektromagnetischer Strahlungsenergie in elektrische Energie ein reversibler Prozess ist. Die Umwandlung von Wärmeenergie in elektromagnetische Strahlungsenergie über einem schwarzen Strahler ist ebenfalls ein reversibler Prozess, da jede ausgesendete Strahlungsenergie von einem schwarzen Strahler wieder vollständig verschluckt wird, wenn man die Strahlungsenergie wieder zurück lenkt.The second law is also fulfilled because the recipient for electrical magnetic radiation energy can also be used as a transmitter. A conductor loop or a Herzscher dipole are capable of electromagnetic To send or receive radiation energy. This shows that the conversion of electromagnetic radiation energy into electrical energy is a reversible process. The transformation of thermal energy into electromagnetic radiation energy over a black body is also a reversible process, since any radiant energy emitted is completely swallowed again by a black lamp if one directs the radiation energy back again.

Anhand verschiedener Abbildungen soll die Erfindung näher beschrieben werden.Using various illustrations the invention is intended to be closer to be discribed.

Hierbei zeigenShow here

1 den Ablauf des Verfahrens als Grundvariante zur Energieumwandlung, bestehend aus einem schwarzen Hohlraumstrahler 1 und einem Empfänger 2 als Hauptbestandteile und einem Filter 3. 1 the sequence of the process as a basic variant for energy conversion, consisting of a black cavity radiator 1 and a receiver 2 as main components and a filter 3 ,

2 zeigt das Verfahren bei der Umwandlung von thermischer Energie Q in elektrische Energie Wel mit η = Q/Wel = 1. Die gestrichelte Linie stellt die Systemgrenze zwischen einer Anlage, die das Verfahren nutzt, und deren Umgebung dar. 2 shows the process in the conversion of thermal energy Q into electrical energy W el with η = Q / W el = 1. The dashed line represents the system boundary between a plant that uses the process and its surroundings.

3 bis 11 zeigen weitere Varianten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 to 11 show further variants for performing the method according to the invention.

In 1 ist eine Anlage skizziert, die erfindungsgemäß thermische Energie in elektrische Energie umwandelt. Der schwarze Strahler 1 als Hohlraumstrahler emittiert die elektromagnetische Strahlungsenergie 4a in jeder Wellenlänge gemäß Gleichung (1). Diese elektromagnetische Strahlungsenergie 4a wird durch einen Filter 3 geschickt, der nur die Strahlungsenergie 4c durchläßt, die den Empfangsdipol 2 in Resonanz versetzt. Die restliche Strahlungsenergie 4b, deren Wellenlänge verschieden von der Resonanzwellenlänge ist, wird zum schwarzen Strahler 1 reflektiert und dort absorbiert. Die elektromagnetische Strahlungsenergie 4c wird in dem Empfangsdipol 2 als Empfänger in elektrische Energie umgewandelt und kann dann abgeführt und genutzt werden.In 1 a system is sketched which converts thermal energy into electrical energy according to the invention. The black spotlight 1 the electromagnetic radiation energy is emitted as a cavity radiator 4a in each wavelength according to equation (1). This electromagnetic radiation energy 4a is through a filter 3 sent who only the radiation energy 4c lets through the receiving dipole 2 resonated. The rest of the radiation energy 4b , whose wavelength is different from the resonance wavelength, becomes a black body 1 reflected and absorbed there. The electromagnetic radiation energy 4c is in the receiving dipole 2 converted into electrical energy as a receiver and can then be dissipated and used.

2 zeigt, dass die Wärmeenergie Q dafür sorgt, dass der schwarze Strahler 1 eine konstante Temperatur beibehält. Die Energie, die der schwarze Strahler 1 abgibt, wird in die elektrische Energie Wel umgewandelt. 2 shows that the thermal energy Q ensures that the black body 1 maintains a constant temperature. The energy that the black spotlight 1 emits, is converted into electrical energy W el .

In 3 ist dargestellt, dass auch der Empfänger 2 für die elektromagnetische Strahlungsenergie sowohl als Herzscher Dipol als auch als Leiterschleife in dem schwarzen Strahler 1 einzulassen ist, um ebenfalls Wärmeenergie Q in elektrische Energie Wel umwandeln zu können.In 3 is shown that the recipient 2 for the electromagnetic radiation energy both as a Herz dipole and as a conductor loop in the black body 1 is to be admitted to also To be able to convert thermal energy Q into electrical energy W el .

Bei der Anordnung gem. 4, dass zwischen dem schwarzen Strahler 1 und einem Spiegel 5 der Empfänger 2 angeordnet ist, wird ein nicht absorbierter Teil 4b der vom schwarzen Strahler 1 ausgesendeten elektromagnetischen Strahlungsenergie 4a sofort vom Empfänger 2 an den schwarzen Strahler 1 zurückgegeben und ein zweiter schwarzer Strahler 1 gibt den Teil 4d der elektromagnetischen Strahlungsenergie 4c, welcher am Empfänger 2 durchgelassen worden ist und nicht absorbiert worden ist, wieder an den Empfänger 2 und folglich über 4b auch wieder an den ersteren schwarzen Strahler 1 ab.With the arrangement acc. 4 that between the black spotlight 1 and a mirror 5 the recipient 2 is arranged, a non-absorbed part 4b the one from the black spotlight 1 emitted electromagnetic radiation energy 4a immediately from the recipient 2 to the black spotlight 1 returned and a second black spotlight 1 gives the part 4d the electromagnetic radiation energy 4c which is on the receiver 2 has been passed through and has not been absorbed back to the recipient 2 and consequently about 4b again on the former black spotlight 1 from.

Anstelle des zweiten, dem Empfänger 2 nachgeordneten, schwarzen Strahlers 1 besteht auch die Möglichkeit, einen Spiegel 5 mit einem Reflektionsgrad von 100% einzusetzen, mit der Aufgabe, nicht absorbierte elektromagnetische Strahlungsenergie 4c, 4d und 4b an den vorangestellten schwarzen Strahler 1 verlustfrei zurückzusenden. (5) Dass weitere Fokussiereinrichtungen 6a und 6b als optische Systeme zur Fokussierung der elektromagnetischen Strahlungsenergie 4a bis 4d zum Einsatz zu bringen sind, zeigt in 6, dass dem Empfänger 2 für die elektromagnetische Strahlungsenergie 4a bis 4d ein optisches System 6, wie ein Spiegel, voranzustellen oder, wie in 7 dargestellt, dem Empfänger 2 nachzustellen ist.Instead of the second, the recipient 2 subordinate, black spotlight 1 there is also the possibility of a mirror 5 with a degree of reflection of 100%, with the task of not absorbing electromagnetic radiation energy 4c . 4d and 4b to the preceding black spotlight 1 to be returned without loss. ( 5 ) That other focusing devices 6a and 6b as optical systems for focusing the electromagnetic radiation energy 4a to 4d are to be used, shows in 6 that the recipient 2 for electromagnetic radiation energy 4a to 4d an optical system 6 how to put a mirror in front or how in 7 shown to the recipient 2 is to be adjusted.

Verschieden untereinander austauschbare Varianten der einzelnen in dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellten Bauelemente 1 bis 3 als auch 5 und 6, um die elektromagnetische Strahlungsenergie 4a bis 4d optimal so zu absorbieren, dass die Energieumwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie verlustfrei erfolgen kann, sind in den 8 bis 11 zusammenfassend dargestellt.Different interchangeable variants of the individual components represented in the method according to the invention 1 to 3 as well as 5 and 6 to the electromagnetic radiation energy 4a to 4d are optimally absorbed in such a way that the energy conversion of the thermal energy into electrical energy can take place without loss 8th to 11 summarized.

Ebenfalls sei zusammenfassend vermerkt, dass als Empfänger 2 ein Herzscher Dipol zur Erhöhung der Leistungsausbeute verwendet wird, um einen größeren Frequenzbereich empfangen und in elektrische Energie umwandeln zu können. Oder aber es kann anstelle des Herzschen Dipols mindestens eine Leiterschleife zur Umwandlung der elektromagnetischen Strahlungsenergie in elektrische Energie zum Einsatz gebracht werden.In summary it should also be noted that as the recipient 2 a Herzscher dipole is used to increase the power yield in order to receive a larger frequency range and to convert it into electrical energy. Or, instead of the Herz dipole, at least one conductor loop can be used to convert the electromagnetic radiation energy into electrical energy.

Der Einsatz eines zweiten schwarzen Strahlers 1 am Ende der Verfahrenskette ersetzt die Aufgaben des Filter 3 und/oder des Spiegels 5.The use of a second black spotlight 1 at the end of the process chain replaces the tasks of the filter 3 and / or the mirror 5 ,

11
schwarzer Strahlerblack spotlight
22
Empfängerreceiver
33
Filterfilter
4a bis d4a to d
elektromagnetische Strahlungsenergieelectromagnetic radiant energy
55
Spiegelmirror
66
optisches Systemoptical system

Claims (5)

Verfahren zur Energieumwandlung, insbesondere thermischer in elektrische Energie, mittels eines schwarzen Strahlers (1), welcher bei einer vorgegebenen Temperatur eine entsprechende Leistung abgibt, und einem Empfänger (2) für elektromagnetische Strahlungsenergie, gekennzeichnet dadurch, dass der schwarze Strahler (1) und der Empfänger (2) so zusammengeführt werden, dass bei einer reversiblen Prozessführung der Empfänger (2) aus dem elektromagnetischen Strahlungsfeld des schwarzen Strahlers (1) Energie abführt.Method for converting energy, in particular thermal into electrical energy, using a black radiator ( 1 ), which delivers a corresponding power at a given temperature, and a receiver ( 2 ) for electromagnetic radiation energy, characterized in that the black radiator ( 1 ) and the recipient ( 2 ) are merged in such a way that the receiver ( 2 ) from the electromagnetic radiation field of the black body ( 1 ) Dissipates energy. Verfahren zur Energieumwandlung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die elektromagnetische Strahlungsenergie (4a) in jeder Wellenlänge mittels des Strahlers (1) emittiert wird, dass mittels eines Filters (3) eine elektromagnetische Strahlungsenergie (4a) in elektromagnetische Strahlungsenergie (4b) und (4c) aufgeteilt wird, dass die restliche elektromagnetische Strahlungsenergie (4b) zu dem schwarzen Strahler (1) zurückgeführt und anschließend absorbiert wird und dass die elektromagnetische Strahlungsenergie (4c) in dem Empfänger (2) in elektrische Energie umgewandelt und anschließend abgeführt wird.Method for energy conversion according to claim 1, characterized in that the electromagnetic radiation energy ( 4a ) in each wavelength using the radiator ( 1 ) is emitted by means of a filter ( 3 ) electromagnetic radiation energy ( 4a ) in electromagnetic radiation energy ( 4b ) and ( 4c ) that the remaining electromagnetic radiation energy ( 4b ) to the black spotlight ( 1 ) and then absorbed and that the electromagnetic radiation energy ( 4c ) in the receiver ( 2 ) is converted into electrical energy and then dissipated. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 2 nach einem Grundprinzip, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein schwarzer Strahler (1) vor mindestens einem Filter (3) und/oder mindestens einem Spiegel (5) und/oder mindestens einem optischen System (6) zur Fokussierung der elektromagnetischen Strahlungsenergie (4a,4b,4c,4d) und einem Empfänger (2) anzuordnen ist.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims 1 to 2 according to a basic principle, which is characterized in that a black radiator ( 1 ) before at least one filter ( 3 ) and / or at least one mirror ( 5 ) and / or at least one optical system ( 6 ) to focus the electromagnetic radiation energy ( 4a . 4b . 4c . 4d ) and a recipient ( 2 ) is to be arranged. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3 nach einem Grundprinzip, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein zusätzlicher schwarzer Strahler (1) anstelle dem mindestens einem Filter (3), dem mindestens einem Spiegel (5) und dem mindestens einem optischen System (6) nachzuordnen ist.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims 1 to 3 according to a basic principle, which is characterized in that an additional black radiator ( 1 ) instead of at least one filter ( 3 ), the at least one mirror ( 5 ) and the at least one optical system ( 6 ) is to be classified. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als eine weitere Möglichkeit der Empfänger (2) in dem Körper des schwarzen Strahlers (1) mit einzubinden ist.Device for carrying out the method according to at least one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that as a further possibility the receiver ( 2 ) in the body of the black body ( 1 ) is to be included.
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