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Dokumentenidentifikation DE69837624T2 27.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001145333
Titel PYROELEKTRISCHES UMWANDLUNGSSYSTEM
Anmelder Her Majesty the Queen in Right of Canada as represented by the Minister of Natural Resources, Ottawa, Ontario, CA
Erfinder IKURA, Michio, Kanata, Ontario K2K 1P4, CA;
CHARBONNEAU, Robert, Orleans, Ontario K1E 3M2, CA
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Aktenzeichen 69837624
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.12.1998
EP-Aktenzeichen 989621453
WO-Anmeldetag 14.12.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/CA98/01170
WO-Veröffentlichungsnummer 2000036656
WO-Veröffentlichungsdatum 22.06.2000
EP-Offenlegungsdatum 17.10.2001
EP date of grant 18.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01L 37/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Wandlung von Wärme zu elektrischer Energie, insbesondere auf die Verwendung gestapelter Schichten aus dünnen pyroelektrischen Folien mit einem Mittel, das abwechselnd heißes und kaltes Fluid zu den Folien bringt. Eine neuartige Spannungsregler-Slavevorrichtung für einen magnetischen Näherungsschalter, der an einem rotierenden Durchflussregler montiert ist, sorgt für eine Synchronisation der zyklischen thermischen und elektrischen Beaufschlagung des pyroelektrischen Wandlers.

Stand der Technik

Der Einsatz von Kondensatoren mit temperaturabhängigen Dielektrika in pyroelektrischen Systemen wird in den US-Patenten 4,220,906, erteilt am 2. September 1980 an Drummond, und 4,441,067, erteilt am 3. April 1984 an O'Hara, gelehrt. Beide Patente zeigen die Geeignetheit solcher Systeme für den Betrieb mit Abwärme aus Industrieanlagen auf, z.B. aus Zellstoff- und Papierfabriken, Stahlwerken, petrochemischen Anlagen, Glasherstellungsanlagen und Elektrizitätswerken.

Wird die thermische Effizienz dadurch erhöht, dass mehr Wärme aus der Abwärme herausgezogen wird, steigen die Kosten für das Installieren von Extragerät zur zusätzlichen Wärmenutzung leider häufig ins Unerschwingliche. Darüber hinaus entstehen technische Schwierigkeiten, wenn eine große Menge Wärme aus einem Prozess herausgezogen wird; bei Planung eines Systems zur hocheffizienten Rückgewinnung von Wärme aus Abgasen werden die Kondensation saurer Flüssigkeiten und die anschließende Korrosion von Gerät zu einem ernsthaften technischen Hindernis im Hinblick auf die Implementierung von Modellen zur Abwärmenutzung. Ferner ist bei niedriger Temperatur der Wärmequelle die für weitere nutzbringende Arbeit verfügbare Wärme begrenzt, und zwar durch die Effizienz des Carnot-Zyklus.

Eine pyroelektrische Folie kann als temperaturabhängiger Kondensator funktionieren; wenn Wärme beaufschlagt wird und seine Temperatur steigt, sinkt die Kapazität des Kondensators (d.h. seine Fähigkeit zur Speicherung von Ladung). Bei Erhöhung der Folientemperatur kann die Ladung nicht länger auf den Oberflächen der Folie verbleiben und ist gezwungen, diese unter Abgabe elektrischer Energie zu verlassen. Auf diese Weise wird die eingespeiste Wärme zu elektrischer Ladung gewandelt.

Die vorliegende Erfindung nutzt einen pyroelektrischen Wandlungszyklus, der behandelt wird in Olsen, R. B., Brisco, J. M., Bruno, D. A. und Butler, W. F.: „A pyroelectric energy converter which employs regeneration", Ferroelectrics, Band 38, S. 975–978 (1981) und in Olsen, R. B., Bruno, D. A. und Brisco, J. M.: „Pyroelectric conversion cycle of vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer", J. Appl. Phys. 57(11), S. 5036 – 5042 (1985).

Die US-Patente 4,425,540 und 4,647,836, beide erteilt an Olsen, und zwar jeweils am 10. Januar 1987 und am 3. März 1987, offenbaren eben jenen Energiezyklus, der zur direkten Wandlung von Abwärme zu Elektrizität eingesetzt werden kann und nachstehend als Olsen-Zyklus bezeichnet wird. Die thermische Reaktion pyroelektrischer Folien wird mit extern geregelter Vorspannung synchronisiert, um Wärmeenergie zu elektrischer Energie zu wandeln. Dieser Olsen-Zyklus ist parallel zu einer Wärmekraftvorrichtung geschaltet.

Ferroelektrische Materialien, wie z.B. PZST (gesinterte Keramik aus Bleizirkonat, Bleititanat und Bleistannat) und P(VDF-TrFE) (Copolymere aus Vinylidenfluorid-Trifluorethylen), sind für die pyroelektrische Wandlung geeignet (US-Patent Nr. 4,620,262, Oktober 1986). Viele Monomere enthalten polare Gruppen. Zur Gewinnung nützlicher piezoelektrischer und auch pyroelektrischer Polymere sollten deren Bestandteile nicht so sperrig sein, dass sie die Kristallisierung der Makromoleküle verhindern oder diesen (z.B. helikale) Formen aufzwingen, aus denen eine extensive interne Kompensation der Polarisierung resultiert. Das Fluoratom ist sehr klein, sein Van-der-Waals-Radius (1,35 Å) ist nur geringfügig größer als jener des Wasserstoffs (1,2 Å), und es bildet hochpolare Bindungen mit Kohlenstoff, und zwar mit einem Dipolmoment von 6,4 × 10–30 Coulomb-Meter (= 1,92 Debye). Gängige daraus hervorgehende Polyfluorkohlenstoffe sind Polyvinylidenfluorid (PVF2), Polyvinylfluorid (PVF) und Polytrifluorethylen (PF3D). Zu weiteren polaren Gruppen, aus denen nützliche piezoelektrische und pyroelektrische Polymere hervorgehen könnten, gehören die C-C1-Bindung mit 2,1 Debye, die C-CN-Bindung mit 3,86 Debye und C=C- -H-N, das eine hochpolare Wasserstoffbindung mit 3,59 Debye enthält. Wenn PVF2 abgekühlt wird, bildet es eine Anzahl kristallisierter Phasen. Allerdings nehmen die Fluoratome ohne einen Polarisierungsprozess größtenteils trans- und gauche-Positionen ein, so dass die Gesamtpolarität neutral bleibt. Die nützlichste Phase ist als &bgr;-Phase in PVF2 bekannt und lässt sich verstärken, indem ein externes elektrisches Feld an eine gedehnte PVF2-Folie gelegt wird.

Copolymere aus Vinylidenfluorid und Trifluorethylen P(VF2-TrFE), die gewöhnlich 20 bis 30-Mol% TrFE enthalten, besitzen eine besonders nützliche Eigenschaft. Wenn sie von ihren Schmelztemperaturen auf Raumtemperatur abgekühlt werden, bilden sie ohne Dehnung der Polymere eine &bgr;-artige Phase. Der Grund dafür ist, dass Trifluorethylen (CF2-CHF)n einen größeren Anteil der verhältnismäßig sperrigen Fluoratome enthält als PVF2, deren Molekülketten die tg+tg -Konformation nicht aufnehmen können und deshalb gezwungen sind, direkt mit der stärker ausgedehnten all-trans-Konformation zu kristallisieren. Außerdem scheint das TrFE in der P(VF2-TrFE)-Kette die „trans"-Form zu einem Grad zu stabilisieren, der gerade geeignet ist für die konformationelle Veränderung bei Aussetzung gegenüber einem umgekehrten externen Feld.

P(TrFE-VF2)-Copolymere mit 12,5 bis 85 Mol-% VF2 weisen immer das &bgr;-Phasen-Kristall auf (trans- oder trans-ähnliche Konformation) und gehen durch beliebige Wärmebehandlungen nicht in die nichtpolare &agr;-Phase über. Insbesondere jene Copolymere mit einem VF2-Anteil zwischen 65 und 80 Mol-% kristallisieren spontan zur (ferroelektrischen) all-trans-&bgr;-Struktur mit einem hohen Grand an Kristallinität, ohne dass gezogen werden muss. Sie durchlaufen einen feroelektrischen Phasenübergang bei einer Curie-Temperatur von 60°C bis 140°C mit zunehmendem VF2-Gehalt.

Die wichtigsten Verfahrensparameter, welche die Energieabgabe einer pyroelektrischen Folie bestimmen, sind die volumetrische Resistivität des pyroelektrischen Materials, die Temperaturabhängigkeit des pyroelektrischen Koeffizienten einer gegebenen Folie, die Spanne der Temperaturzyklierung (die Spanne zwischen hohen und niedrigen Folientemperaturen), die Breite der Betriebsspannungen (der Unterschied zwischen Vhigh und Vlow) und die Frequenz des Olsen-Zyklus.

US-Patent 4,647,836 zeigt auf, dass die Effizienz des Gesamtsystems der pyroelektrischen Wandlung mit dem Einsatz einer Wärmeregenerationstechnik zunimmt; siehe auch Olsen, R. B. und Brown, D. D.: „High efficiency direct conversion of heat to electrical energy-related pyroelectric measurements", Ferroelectrics, Band 40, S. 17–27 (1982). Einer der wichtigen Parameter, der die Effizienz des Gesamtsystems beeinflusst, ist die Regeneration verwendbarer Wärme. Es ist von entscheidender Bedeutung, so viel Wärme wie möglich zu Elektrizität zu wandeln, bevor die Wärme bis zu einem nicht mehr nutzbaren Zustand abnimmt. Dies wird durch Wärmeregeneration ermöglicht. Wenn pyroelektrische Folien Wärme von einem Wärmefluid mit einer höheren Temperatur erhalten, steigt ihre Temperatur an. Auf diese Weise werden sie selbst zu einer Wärmequelle in Bezug auf Fluid mit einer niedrigeren Temperatur. Wenn sich diese Abfolge wiederholt, kann eine gegebene Menge Wärme viele Male via die Anordnungen pyroelektrischer Folien zwischen der Wärmequellentemperatur und der Kühlkörpertemperatur hin- und hergeführt werden, bevor die Wärme schließlich abnimmt und das Hin- und Herführen der Wärme unmöglich wird. Frühere Entwürfe waren sowohl sperrig als auch für schnelle zyklische thermische Beaufschlagung ungeeignet, und zwar aufgrund der reziproken Bewegung der Wärmeübertragungsfluide in Wärmeübertragern, in denen pyroelektrische Folien untergebracht sind.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bietet eine Vorrichtung zum Wandeln von Wärme zu elektrischer Energie, wie in Anspruch 1 definiert. Darüber hinaus sind bevorzugte Merkmale der erfinderischen Vorrichtung in den Ansprüchen 2 bis 8 genau festgelegt. Ferner stellt die Erfindung ein Verfahren zum Wandeln von Wärme zu elektrischer Energie zur Verfügung, wie in Anspruch 9 definiert. Durch die Erfindung werden die Probleme mit früheren sperrigen Entwürfen überwunden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 zeigt Hystereseschleifen für pyroelektrisches Material bei zwei verschiedenen Temperaturen;

2 stellt die Zeit dar, die ein Copolymer zur thermischen Reaktion auf einen Temperaturveränderungsschritt benötigt;

3 und 4 veranschaulichen die Struktur des pyroelektrischen Generators dieser Erfindung;

5 erläutert einen Durchflussregler, der sich in Verbindung mit der Vorrichtung aus 3 und 4 als nützlich erweist;

die 6 bis 9 veranschaulichen die Funktionsweise des pyroelektrischen Generators, die auf die Herstellung des Synchronismus zwischen dem thermischen und dem elektrischen Zyklus zielt; und

die 10 bis 15 zeigen die Abfolge der Schritte zur Spannungsregelung, die für den Betrieb des pyroelektrischen Generators notwendig sind.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

1 erläutert, auf welche Weise sich die Leistungsabgabe aus dem Olsen-Zyklus erzielen lässt. Kurve 11 stellt das Verhältnis von Ladung zu Spannung bei hohen Temperaturen (TH) dar, wohingegen Kurve 12 das Verhältnis von Ladung zu Spannung bei niedrigen Temperaturen (TL) zeigt. Die unterschiedlichen Kurven veranschaulichen Veränderungen wichtiger Prozessparameter im Verlauf des Zyklus. Die Zahlen (1) bis (4) entsprechen den vier Schritten der pyroelektrischen Energieerzeugung.

Der schattierte Bereich I repräsentiert jene Energie, die zum Wiederaufladen der Folie bei niedriger Spannung während der Kühlschritte (3) des Zyklus benötigt wird. Während die Folie bei niedriger Spannung abkühlt, nimmt die Ladung auf ihren Oberflächen infolge der intrinsischen Eigenschaften des Materials zu. Außerdem wird die Wiederaufladung durch das Erhöhen der Spannung (Schritt (4)) erreicht. Der Energiebedarf für diesen letzten Schritt ist durch den schattierten Bereich II veranschaulicht. Bei richtiger Durchführung des Zyklus stellt die mittels Bereich III angegebene elektrische Energie die Nettoentladung durch die Folie dar.

Die Erfindung nutzt eine Anordnung gestapelter pyroelektrischer Folien. Dadurch wird Vorteil aus der schnellen Wärmeübertragung gestapelter ultradünner Folien gezogen, um die Vorrichtung kompakt zu gestalten. Eine komplette Anordnung eignet sich, um eine schnelle thermische Reaktion und eine hohe elektrische Leistung aus einem gegebenen Wärmeübertragungsbereich in einem gegebenen Zeitraum zu erzielen.

2 zeigt die thermische Reaktion bezüglich des Copolymers aus P(VDF-TrFE), wenn eine Folie von beiden ihrer Oberflächenseiten aus einem Schritt der Temperaturveränderung ausgesetzt wird. Diese Figur veranschaulicht ein Verhältnis zwischen der Dicke der gestapelten Folien und der Zeit, die benötigt wird, um 95% der Gleichgewichtstemperatur in der Mitte des Folienstapels zu erreichen. Falls sich die Gesamtdicke der gestapelten Folien beispielsweise auf 250 Mikron beläuft, dauert es lediglich 0,4 Sek. (400 mSek.), bis die Temperatur in der Mitte 95% der Endtemperatur erreicht. Wenn die Gesamtdicke der Folie unter 370 Mikron gehalten wird, kann eine Reaktionszeit von unter 1 Sek. erzielt werden. Wird von einer 25 Mikron dicken Folie ausgegangen, lassen sich beinahe 15 Folien stapeln, ohne dass die schnelle thermische Reaktion verlorengeht.

Es wurde herausgefunden, dass eine Wandlungseffizienz, die jene aus früheren theoretischen Analysen um mehrere Größenordnungen übertrifft, möglich ist, wenn externe Spannung eingesetzt wird, um das Laden pyroelektrischer Folien bei niedriger Temperatur und niedriger Spannung sowie deren Entladen bei hoher Temperatur und hoher Spannung zu steuern. Zusätzlich wird ein Wärme-„Regenerations"-Verfahren angewandt, um die Wirksamkeit der Wärmenutzung zu steigern. Gemäß diesem Verfahren wird im ersten pyroelektrischen Element zurückgeworfene Wärme benutzt, um das zweite pyroelektrische Element und nachfolgende Elemente in kaskadierender Weise zu erhitzen. Wenn beispielsweise die Wärmequelle bei 70°C und der Kühlkörper bei 30°C liegt und zwischen diesen beiden Temperaturen bei den eingefügten pyroelektrischen Elementen Veränderungen um 10°C bewirkt werden, also von 70 auf 60, von 60 auf 50, von 50 auf 40 und von 40 auf 30°C, steigt die Temperatur des Kühlwassers (des Kühlkörpers) entsprechend von 30°C auf 40°C, von 40°C auf 50°C und von 50°C auf 60°C. Obwohl die pyroelektrischen Elemente eine Gesamttemperaturveränderung von 70°C auf 40°C erfahren, entspricht der Gesamtwärmeabfall nur einer Verringerung von 70°C auf 60°C, da die Temperatur des letzten herausfließenden Kühlwassers 60°C erreicht und eine geringfügig verschlechterte Wärmequelle ersetzen kann.

Diese besonderen Strukturen der Erfindung besitzen den Vorteil, dass sie das Wärmeübertragungsfluid zu den pyroelektrischen Folien bringen, ohne die Richtung von heißem und kaltem Fluid umzukehren. Das System dieser Erfindung macht sich den abwechselnden Fluss von heißem und kaltem Wasser über die Stapel aus pyroelektrischen Folien zunutze. Während das heiße Wasser über die Oberfläche eines Stapels aus pyroelektrischen Folien fließt, steigt die Folientemperatur an. Anschließend kühlt das kalte Wasser, wenn das heiße Wasser abgestellt und das System auf kaltes Wasser umgestellt ist, die Folien und nimmt gleichzeitig Wärme aus den Folien auf. Bei Wiederholung dieser Abfolge fungieren pyroelektrische Folien als Medium zum Hin- und Herfuhren von Wärme, indem sie Wärme zwischen Strömen von heißem und kaltem Wasser aufnehmen und abgeben.

Die erfindungsgemäßen Folien können Rückseite an Rückseite gestapelt werden, wobei die Notwendigkeit einer elektrischen Isolierung zwischen den Folien entfällt. Überdies ermöglicht das Stapeln einer geraden Anzahl pyroelektrischer Folien Rückseite an Rückseite, dass die Spannung an den nach außen gewandten Oberflächen der pyroelektrischen Folien niedrig ist.

3 veranschaulicht die Struktur eines ortsfesten Plattengenerators dieser Erfindung. Durchgezogene Linien zeigen den Zustand „Durchfluss" an und gepunktete Linien den Zustand „Kein Durchfluss". Wie aus dieser Figur ersichtlich, besteht jede Stufe aus einer ersten Gruppe 31 in der linken Kolonne und einer zweiten Gruppe 32 in der rechten Kolonne. Zusätzlich setzt sich jede Gruppe (jede Kolonne) aus vielen Plattengeneratoreinheiten zusammen, die ausgehend vom oberen Teil der Kolonne als erste, zweite, dritte Einheit, etc. nummeriert sind. In einem vollständigen System nimmt mit wachsender Stufenzahl die Anzahl der Plattengeneratoreinheiten bis hin zur letzten Stufe ab, die nur eine verbleibende Generatoreinheit umfasst.

Beim ortsfesten Betriebsmodus verteilt sich der Betrieb des Systems auf zwei Zeitraumhälften. In der ersten Zeitraumhälfte wird die erste Einheit 31 der Gruppe aus Stufe 1 mit der richtigen Menge an heißem Wasser gefüllt. Warmes Wasser, das sich zuvor in dieser Einheit befand, wird zur ersten Einheit 32 der zweiten Gruppe aus Stufe 1 hinübergedrückt. Das weniger warme Fluid, das in dieser Einheit war, wird weiter hinunter zur zweiten Einheit 33 der ersten Gruppe in Stufe 1 geschoben.

Dieser Ablauf wiederholt sich, bis das kalte Wasser in der letzten Einheit der ersten Gruppe in Stufe 1 hinüber zu Stufe 2 als Kühlkörper gedrängt wird. Dies ist möglich, da ausgehend von der ersten Einheit an der Spitze der ersten Gruppe (Kolonne) eine Temperaturverteilung bis hin zur letzten Einheit am Ende der ersten Gruppe besteht. Das heiße Wasser, das in Stufe 1 einfließt, verlässt diese als kaltes Wasser und ist daraufhin in Stufe 2 als Kühlkörperfluid von Nutzen. Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass sich Stufe 2 in einem Kaltwasserzyklus befindet, wenn Stufe 1 in einem Heißwasserzyklus ist.

4 veranschaulicht die zweite Zeitraumhälfte. Nach der ersten Zeitraumhälfte sind die Temperaturen in allen Einheiten in Stufe 1 um die Hälfte der Spanne einer entwickelten Temperaturzyklierung angestiegen. In der zweiten Zeitraumhälfte wird der Fluss zu Stufe 1 auf Kaltwasserfluss umgeschaltet. Dieses Umschalten beendet den gesamten Abwärtsfluss einer Kühlkörperflüssigkeit und kehrt den Fluss um, wobei die Kühlkörperflüssigkeit nach oben fließt. Bei dieser Gestaltung bleibt die Flussrichtung in einer gegebenen Einheit die gleiche, obwohl die Wärmequelle und der Kühlkörper einander abwechseln. Auf diese Weise wird das Fluid im Innern der Einheit durch einströmendes Fluid verlagert.

Bei Kombination zweier Zeitraumhälften besteht ein Merkmal der Systemgestaltung darin, dass es in allen Einheiten zu einem gleichzeitigen Zyklieren der Temperatur kommt, obwohl weder der eine noch der andere Fluss vollständig von der Spitze der Gruppe zum Ende der Gruppe gelangt. Dies ist der Fall, weil die Anordnungen aus pyroelektrischen Folien als eine Art Shuttle zwischen Kühlkörper und Kühlquelle fungieren, ohne ihre Position physisch zu verändern.

In einer bevorzugten Ausführungsform können zwei dieser Systeme eingesetzt werden, so dass zu keiner Zeit eine Unterbrechung des Heiß- und Kaltwasserflusses auftritt; dies ist von Vorteil bei Vorbeugung eines Energieverlusts durch eine momentane Veränderung der An/Aus-Zyklen. Bei den in 3 und 4 gezeigten Generatoreinheiten muss es sich nicht um physisch unabhängige Einheiten handeln; sie können separate Folienanordnungen sein, die in ausreichendem Maß von benachbarten Folienanordnungen zu trennen sind, was die Aufnahme des Wärmeübertragungsfluids und entsprechende separate elektrische Verbindungen betrifft.

Das Umschalten und die Synchronisation des Flusses werden durch einen in 5 dargestellten Synchronisationsschalter 51 (bzw. eine Hochgeschwindigkeits-Wasserfluss-Regeleinrichtung) geregelt, der aus einem Rohr 52 konstruiert ist, mit welchem drei Leitungen verbunden sind. Ein solider Halbzylinder 53 rotiert in dem Rohr, wobei er Auslass 54 und 55 abwechselnd blockiert. In der ersten Zeitraumhälfte fließt das Wasser aus Auslass 54 heraus, und in der zweiten Zeitraumhälfte fließt das Wasser aus Auslass 55 heraus. Ein magnetischer Näherungsschalter ist an der rotierenden Welle angebracht und sendet elektrische Signale, um den Betrieb elektrischer Schaltungen für den Olsen-Zyklus zu synchronisieren.

Die Funktionsweise des pyroelektrischen Generators lässt sich in vier Schritte gliedern, welche dem Olsen-Zyklus entsprechen, was in den 6 bis 9 veranschaulicht ist. Während der ersten Hälfte des Leistungserzeugungszyklus fließt heißes Wasser in den pyroelektrischen Wandler 63 vom Plattentyp. Thermische Energie aus dem heißen Wasser, das über die Folien fließt, wird absorbiert und zu elektrischer Energie gewandelt. Die elektrische Energie entlädt sich mit hoher Spannung durch eine ohmsche Last zwecks Durchführung nützlicher Arbeit. Dieser Schritt entspricht A-B aus 6. Ein magnetischer Näherungsschalter 61 wird zusammen mit einem Spannungsregler 62 verwendet, um zu gewährleisten, dass die zyklische thermische und elektrische Beaufschlagung der Folien synchronisiert werden.

Sobald die Temperatur der Folien in ausreichendem Maß zugenommen hat, wird die durch sie gelegte Spannung gesenkt und den heißen Folien die Möglichkeit gegeben, sich weiter zu entladen. Dieser Schritt entspricht B-C aus 7.

Im Verlauf der zweiten Hälfte des Wandlungszyklus fließt kaltes Wasser in den Wandler. Jene Folien, die während der ersten Hälfte des Zyklus erhitzt wurden, werden repolarisiert, während sie bei niedriger Spannung abgekühlt werden. Dieser Schritt entspricht C-D aus 8.

Daraufhin wird die Spannung der kalten Folien in Vorbereitung auf den nächsten Zyklus erhöht. Dieser Schritt entspricht D-A aus 9.

Wie zuvor dargelegt, wird eine externe Regelspannung zur Durchführung des Olsen-Zyklus benötigt. Allerdings ist bei richtiger Durchführung des Olsen-Zyklus die von den Folien abgegebene elektrische Energie stets größer als die eingespeiste elektrische Energie. Um die passende zyklische thermische und elektrische Beaufschlagung der pyroelektrischen Folien zu erhalten, ist der Spannungsregler 62 für den effizienten und sicheren Betrieb eines pyroelektrischen Wandlers notwendig.

Es erfolgt die Beschreibung eines Verfahrens zur Steuerung der zyklischen elektrischen Beaufschlagung zweier Foliengruppen, die eine Zeitraumhälfte lang unsynchronisiert unter Verwendung einer Quelle variabler hoher Spannung und einer Quelle konstanter niedriger Spannung in Zyklen thermisch beaufschlagt werden. Das unsynchronisierte zyklische Beaufschlagen zweier Foliengruppen während einer Zeitraumhälfte ermöglicht eine regelmäßigere Abgabe elektrischer Energie. Die Schritte 1 bis 4 erläutern die erste Zyklushälfte, und die Schritte 5 bis 8 beschreiben die zweite Zyklushälfte. Nun wird auf die 10-13 Bezug genommen.

Schritt 1: Erhitzen und Abkühlen der Folien (Fig. 10)

Die erste Foliengruppe entlädt sich von Elektrizität, während sie unter extern angelegter hoher Spannung erhitzt wird. Diese Elektrizität leistet nützliche Arbeit, da sie bei hoher Spannung eine ohmsche Last 103 speist. Die zweite Foliengruppe wird erneut aufgeladen, während sie abgekühlt wird. Die Aufladeenergie wird von der Quelle konstanter niedriger Spannung zugeleitet. Verbindungen werden so angelegt, dass die Aufladeenergie nicht durch die ohmsche Last 103 dissipiert wird, wobei natürlich jene des inneren Widerstands der Quelle ausgenommen ist. Dieser Schritt, der beinahe den halben Zyklus lang dauert, geht langsam vonstatten, weil er bei einer Veränderung der Folientemperatur abläuft.

Schritt 2: Spannungssenkung (Fig. 11)

Nachdem die erste Foliengruppe genügend Zeit zum Aufwärmen hatte, löst ein magnetischer Näherungsschalter den Spannungsregler aus, der seinerseits der Quelle 101 variabler hoher Spannung das Signal gibt, ihre Spannung zu senken, was der ersten Foliengruppe ermöglicht, sich weiter zu entladen. Dieser Schritt lässt sich sehr rasch durchführen, und die Temperatur der Folien verändert sich während der Spannungssenkung nicht erheblich. Mit der zweiten Foliengruppe geschieht nichts.

Schritt 3: Umschalten bei niedriger Spannung

Das Umschalten erfolgt bei niedriger Spannung, um Funkenbildung zu vermeiden und den sicheren Betrieb des Wandlers zu gewährleisten. Um besser verständlich zu machen, in welcher Weise das Umschalten vorgenommen wird, werden nachstehend Unterschritte und zusätzliche Diagramme erläutert. Dieser elektronische Schritt kann sehr schnell ausgeführt werden, und der thermische Zyklus hat keine Möglichkeit voranzuschreiten, was in den Figuren durch den Punkt auf den Schaubildern zur Gegenüberstellung von Ladung und Spannung und durch die stillstehende Uhr dargestellt ist.

Schritt 3-A: Spannungsmessungen (Fig. 12)

Bevor das Umschalten stattfindet, ist es wichtig zu überprüfen, dass die Spannung der Quelle 101 hoher Spannung die Zeit hatte zu sinken. Der Verstärker variabler hoher Spannung muss das Überwachen der Spannungsausgabe ermöglichen. Wenn die überwachte Spannung innerhalb 98% der konstanten niedrigen Spannung liegt, wird das Umschalten als sicher eingestuft. Bevor das Umschalten erfolgt, ist die Position der Relais zu beachten.

Schritt 3-B: Offene Relais (Fig. 13)

Sobald die Spannung auf einen sicheren Pegel gesunken ist, besteht die Möglichkeit, das Umschalten an den beiden Foliengruppen vorzunehmen. Für diesen Verwendungszweck erweisen sich Quecksilber-Reed-Relais als nützlich. Es ist wichtig, alle der Relais zu öffnen und lange genug zu warten, um zu gewährleisten, dass sie die Zeit hatten, sich vollständig zu öffnen, und dass das Quecksilber aufgehört hat zu schwappen. Typischerweise benötigen diese Relais annähernd 2 bis 3 mSek., um zur Ruhe zu kommen.

Schritt 3-C: Schließen einiger Relais (Fig. 14)

Nachdem gewartet wurde, bis sich alle Relais geöffnet haben, ist es nun möglich, das tatsächliche Umschalten sicher durchzuführen. Das Umschalten erfolgt dadurch, dass einige der Relais geschlossen werden, wohingegen die anderen geöffnet bleiben. Vorgenommen wird das Umschalten bei niedriger Spannung, um elektrische Funkenbildung zu vermeiden und so eine lange Lebensdauer der Relais zu gewährleisten. Eine Verzögerung von annähernd 10 mSek. im Anschluss an das Umschalten ermöglicht den Relais, vor dem nächsten Schritt zur Ruhe zu kommen.

Schritt 4: Spannungserhöhung (Fig. 15)

Sobald die Verbindungen zu den Foliengruppen umgeschaltet worden sind, wird die Spannung an der zweiten Foliengruppe auf eine hohe Spannung gesteigert. Nun ist die zweite Foliengruppe vollständig geladen und zur Erzeugung von Elektrizität bereit.

Die erste Hälfte des Zyklus ist jetzt abgeschlossen. Die nächsten vier Schritte, welche die zweite Hälfte des Zyklus beschreiben, unterscheiden sich von den zuvor erläuterten Schritten nur dadurch, dass die erste Foliengruppe nun abgekühlt wird, wohingegen sie während der ersten Hälfte des Zeitraums erhitzt wurde; demgegenüber wird die zweite Foliengruppe erhitzt anstatt abgekühlt.

Schritt 5: Abkühlen und Erhitzen von Folien

Die erste Foliengruppe wird nun wieder aufgeladen, während sie unter niedriger externer Spannung abgekühlt wird. Die zweite Foliengruppe entlädt sich von elektrischer Energie unter ohmscher Last, während sie erhitzt wird. Dieser Schritt ist mit Schritt 1 identisch, außer dass jetzt die erste Foliengruppe abgekühlt wird, wohingegen sie in Schritt 1 erhitzt wurde, und dass die zweite Foliengruppe nun erhitzt anstatt abgekühlt wird. Erneut ist beinahe die Hälfte des Zeitraums für diesen Schritt erforderlich, da die Temperatur der Folien verändert werden muss.

Schritt 6: Spannungssenkung

Sobald sich die Temperatur der Folien verändert hat, wird die extern an die erhitzten Folien gelegte Spannung gesenkt, um eine weitere Entladung zu ermöglichen. Dieser Schritt geht sehr schnell vonstatten und ähnelt Schritt 2.

Schritt 7: Umschalten bei niedriger Spannung Schritt 7-A: Spannungsmessungen

Wenn die Quelle hoher Spannung auf 98% der Spannung der konstanten niedrigen Spannung zurückgegangen ist, ermöglicht die Schaltung, dass das Umschalten stattfindet.

Schritt 7-B: Öffnen der Relais

In diesem Schritt werden alle der Schalter geöffnet, und eine Verzögerung wird zugelassen, um sicherzustellen, dass alle der Relais die Zeit hatten, sich zu öffnen, und dass das Quecksilber vollständig aufgehört hat zu schwappen.

Schritt 7-C: Schließen einiger Relais

Das Umschalten erfolgt durch Schließen der entsprechenden Relais.

Schritt 8: Spannungserhöhung

Die erste Foliengruppe wird vollständig wieder aufgeladen, indem die extern angelegte Spannung auf Vhigh erhöht wird. Jetzt ist der pyroelektrische Zyklus abgeschlossen und kann wiederholt werden.

Um Leitungsverluste zu verringern, müssen der Zyklierzeitraum so weit wie möglich verkürzt und pyroelektrische Copolymere mit hohem spezifischen Widerstand ausgewählt werden. Ein geringer Grad an Temperaturzyklierung resultiert in erheblichen Leitungsverlusten. Der Grund dafür ist, dass die elektrischen Leitungsverluste für einen gegebenen Zykluszeitraum und eine gewählte Spannung konstant sind, aber die Abgabe der Folie an elektrischer Energie in direktem Verhältnis zur Spanne der Temperaturzyklierung steht. Folglich erreichen elektrische Leitungsverluste einen großen Prozentanteil der Abgabe elektrischer Energie, wenn die Spanne der Temperaturzyklierung gering ausfällt. Wird die Spanne der Temperaturzyklierung der Folie verringert, werden die Leitungsverluste schließlich größer als die Abgabe elektrischer Energie in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, wie z.B. Spannung, Zyklierzeitraum, Material, etc.

Elektrische Verluste lassen sich durch Erhöhen des spezifischen Widerstands des Materials reduzieren. Dies ist möglich, indem der VDF-Gehalt in P(VDF-TrFE) gesteigert wird. Beispielsweise besitzt P(VDF-TrFE)-73/27 einen spezifischen Widerstand, der größer ist als jener von 52/48. Somit sind für einen gegebenen Zykluszeitraum und eine gegebene Temperaturzyklierung die elektrischen Verluste von P(VDF-TrFE)-73/27 geringer als jene von 52/48. Dies gilt, obgleich die Abgabe elektrischer Energie von 73/27 ungefähr 40% geringer ist als jene von 52/48 (d.h. der pyroelektrische Nullfeld-Koeffizient von 73/27 ist um 40% geringer als jener von 52/48). Es ist zu beachten, dass der spezifische Widerstand in hohem Maße temperaturabhängig ist und dass der Curie-Punkt von 73/27 bei etwa 125°C liegt, also viel höher als bei 52/48, wo er sich bei ungefähr 65°C befindet. Bei gleicher Temperatur ist der spezifische Widerstand von P(VDF-TrFE)-73/27 sehr viel höher (bei 60°C etwa sechzigmal) als von 52/48.

Typische Konfigurationen für pyroelektrische Wandler sind nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt:

TABELLE 1

Leistungsverluste im Fluidstrom hängen insbesondere sowohl vom Abstand ab, der die Platten trennt, als auch von der volumetrischen Strömungsrate. Basierend auf Berechnungen des Leistungsverlusts scheint der beste Abstand für die Platten zwischen 3 mm und 5 mm zu liegen.

Bezüglich der Auswahl des Folienmaterials wurde aufgezeigt, dass nach über 67 Millionen elektrischen Zyklen mit 60 Hz, einer hohen Spannung von 50 MV/m und einer Temperatur von 100°C die elektrischen Eigenschaften einer Copolymerprobe stabil blieben und keine erfassbare Verschlechterung beobachtet wurde. Dies entspricht dem Anlegen von 1250 V an 25 &mgr;m dicke pyroelektrische Folien über einen Zeitraum von mehr als zwei Jahren bei 1 Hz. Die gleiche pyroelektrische Folie blieb auch nach 388 Millionen Zyklen unter gemäßigteren Bedingungen intakt (20 und 30 MV/m und 60 Hz bei Raumtemperatur), was mehr als 12 Jahren kontinuierlicher Verwendung entspricht.

Industrielle Anwendbarkeit

Verschiedene Klassen von Industriewärme wurden an die Umwelt verschwendet, weil sich die Rückgewinnung oder Wandlung der Abwärme für nützliche Zwecke durch Hinzunahme von Extragerät wenig wirtschaftlich gestaltete. Normalerweise ist Abwärme aus Abgas, Betriebswasser und Kühlwasser mit einer Temperatur zwischen 25°C und 250°C verfügbar. Zum Beispiel geben typische thermo-mechanische Zellstoff- und Papierfabriken überschüssige Energie als Heißwasser mit einer Temperatur zwischen 50°C und 100°C ab.

Zu jenen Industrieanlagen, die verschiedene Klassen von Abwärme ausgeben, zählen Kraftwerke, Verbrennungsanlagen, Zellstofffabriken, Raffinerien und chemische Anlagen. Da der pyroelektrische Wandler dieser Erfindung Polymerfolien nutzt, ist die Betriebstemperatur auf unter 125°C begrenzt, was solchen Wärmequellen mit niedrigen Gradzahlen entspricht. Beispielsweise sind Verbrennungsanlagen gewöhnlich an von dicht besiedelten Gebieten entfernten Orten errichtet, was die effiziente Nutzung von Abwärme erschwert. Die Energieerzeugung vor Ort unter Verwendung eines pyroelektrischen Wandlersystems stellt eine praktische Lösung dar. Ähnlich befinden sich auch Zellstofffabriken an abgelegenen Orten, so dass es schwierig ist, Abwärme zu nutzen, ohne sie zu elektrischer Energie zu wandeln.

Mittels dieser Erfindung kann Abwärme zu einer hochwertigen Form von Energie, wie z.B. Elektrizität, gewandelt werden, was einzig auf wirtschaftlichen Erwägungen basierend zur Verbesserung der Nutzungseffizienz von Ressourcen beiträgt.


Anspruch[de]
Vorrichtung zum Wandeln von Wärme zu elektrischer Energie mittels eines pyroelektrischen Energiewandlers, umfassend:

eine Mehrzahl dünner Lagen pyroelektrischer Folien, die in einem Stapel (31, 32, 33) angeordnet sind;

Mittel (51) zum Fördern eines Stroms von abwechselnd heißem und kaltem Fluid über Flächen der pyroelektrischen Folien; und

Mittel, das an den Stapel gekoppelt ist zwecks Anlegens von Ladung an die Flächen der pyroelektrischen Folien und zwecks Entfernung von Ladung von denselben, umfassend einen Spannungsregler (62) mit einem Sensorschalter (61), so dass die zyklische thermische und elektrische Beaufschlagung des pyroelektrischen Energiewandlers synchronisiert werden;

DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS das Mittel (51) zum Fördern von Fluid den Strom von heißen und kalten Fluiden abwechselt, ohne die Richtung des Stroms umzukehren, so dass ein rascher Folientemperatur-Zyklus auftritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Stapel Lagen pyroelektrischer Folien umfasst, welche Rückseite an Rückseite angeordnet sind, so dass keine elektrische Isolierung zwischen den Folien erforderlich ist. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Stapel eine gerade Anzahl an Lagen pyroelektrischer Folien umfasst, welche Rückseite an Rückseite angeordnet sind; und eine niedrige Spannung an nach außen gewandte Flächen der pyroelektrischen Folien angelegt wird. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin bestehend aus:

einer Anzahl an Stapeln aus pyroelektrischen Folien, die in einer ersten und einer zweiten Gruppe angeordnet sind, wobei die zweite Gruppe einen Stapel weniger aufweist als die erste Gruppe;

Mittel, welches heißes Fluid zum ersten Stapel (31) der ersten Gruppe fördert, Mittel, welches das Fluid weiter zum ersten Stapel (32) der zweiten Gruppe strömen lässt, Mittel, welches das Fluid weiter zum zweiten Stapel (33) der ersten Gruppe strömen lässt, Mittel, um anschließende ähnliche Transfers von Fluid zu nachfolgenden Stapeln zu erlauben, bis das Fluid im letzten Stapel der ersten Gruppe als gekühltes Fluid herausströmt;

Mittel, welches im Wechsel kaltes Fluid zum letzten Stapel der ersten Gruppe fördert, Mittel, welches das Fluid zum letzten Stapel der zweiten Gruppe strömen lässt; Mittel, welches das Fluid zu dem Stapel strömen lässt, der dem letzten Stapel der ersten Gruppe am nächsten ist, Mittel, welches anschließende ähnliche Transfers des Fluids zu nachfolgenden Stapeln erlaubt, bis das Fluid im ersten Stapel (31) der ersten Gruppe als erwärmtes Fluid herausströmt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Mittel (51) zum Fördern eines Stroms von abwechselnd heißen und kalten Fluiden über die Fläche der pyroelektrischen Folien ein Rohr (52) umfasst, das mit einem ersten und einem zweiten Auslassrohr (54, 55) und einem Einlassrohr verbunden ist; und einen soliden Halbzylinder (53) umfasst, der in dem Rohr rotiert, abwechselnd blockierend das erste oder das zweite Auslassrohr (54, 55), so dass das Einlassrohr zwischen dem ersten und dem zweiten Auslassrohr (54, 55) umgeschaltet werden kann. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die erste und die zweite Gruppe eine Stufe bilden und eine Mehrzahl von Stufen ein Plattentyp-Generatorsystem bildet, wobei heiße Fluidzufuhr vom ersten Stapel (31) der ersten Gruppe zu einer nachfolgenden Stufe als rezyklierte Heißfluidquelle strömt und wobei das aus dem letzten Stapel der ersten Gruppe geströmte Fluid zu einer nachfolgenden Stufe als rezyklierte Kaltfluidquelle gefördert wird. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher zwei Plattentyp-Generatorsysteme vorhanden sind, welche abwechselnde Zufuhren von heißem und kaltem Fluid erhalten, so dass keine Unterbrechung eines Stroms von heißem und kaltem Fluid auftritt. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Stapel separate Folienanordnungen sind, die thermisch und elektrisch von benachbarten Folienanordnungen isoliert sind. Verfahren zum Wandeln von Wärme zu elektrischer Energie, das aus den folgenden Schritten besteht:

Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Stapels aus einer Mehrzahl dünner Lagen pyroelektrischer Folien;

Anlegen einer elektrischen Energiequelle (101) an den ersten Stapel, die eine variable hohe Spannung liefert;

Anlegen einer elektrischen Energiequelle (102) an den zweiten Stapel, die eine konstante niedrige Spannung liefert;

Erhitzen des ersten Stapels wenn auf einer hohen Spannung bei gleichzeitigem Kühlen des zweiten Stapels wenn auf einer konstanten niedrigen Spannung, danach Verringern der Spannung aus der Quelle (101) variabler hoher Spannung;

Tauschen elektrischer Verbindungen des ersten und des zweiten Stapels wenn auf der konstanten niedrigen Spannung;

Erhöhen der Spannung am zweiten Stapel auf eine hohe Spannung; und

Erhitzen des zweiten Stapels bei der hohen Spannung bei gleichzeitigem Kühlen des ersten Stapels bei der konstanten niedrigen Spannung, danach Reduzieren der Quelle (101) variabler hoher Spannung;

wobei, in den aufeinanderfolgenden Schritten von Erhitzen und Kühlen des ersten oder des zweiten Stapels, ein Strom aus abwechselnd heißem und kaltem Fluid über Flächen der pyroelektrischen Folien gefördert wird ohne Umkehren der Richtung der Stroms, so dass ein rascher Zyklus der Folientemperatur auftritt.






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