DE10249503A1

DE10249503A1 - Verfahren zur Energieumwandlung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10249503A1
Application number: DE10249503A
Authority: DE
Inventors: Alexander Deuser
Original assignee: Deusser Alexander Dipl-Phys
Current assignee: Deusser Alexander Dipl-Phys
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Das Verfahren, thermische in elektrische Energie 100%-ig umwandeln zu können, erfolgt bekannterweise mittels eines schwarzen Strahlers 1 und eines Empfängers 2. Erfindungsgemäß werden der schwarze Strahler 1 und der Empfänger 2 so zusammengeführt, dass bei einer reversiblen Prozessführung der Empfänger 2 aus dem elektromagnetischen Strahlungsfeld des schwarzen Strahlers 1 Energie abführt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu beschreibt eine Anordnung des schwarzen Strahlers 1, welcher 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 oder dass anstelle des Filters 3 und/oder des Spiegels ein zusätzlicher schwarzer Strahler 1 nachzuordnen ist.

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.
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.
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.
Als erstes soll die Strahlungsenergie eines idealen schwarzen Körpers betrachtet werden, dafür gilt das Plancksche Strahlungsgesetz:
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.
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.
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.
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.
Ein idealer schwarzer Strahler gibt bei einer Temperatur T die Leistung
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.
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:
SS ist der Poyntingvektor, W ist die Energie, E das elektrische Feld und j die Stromdichte.
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
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.
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.
Der erste Hauptsatz wird durch eine Maschine mit dem Wirkungsgrad η = 1 nicht verletzt.
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.
Anhand verschiedener Abbildungen soll die Erfindung näher beschrieben werden.
Hierbei zeigen
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.
2 zeigt das Verfahren bei der Umwandlung von thermischer Energie Q in elektrische Energie W_el mit η = Q/W_el = 1. Die gestrichelte Linie stellt die Systemgrenze zwischen einer Anlage, die das Verfahren nutzt, und deren Umgebung dar.
3 bis 11 zeigen weitere Varianten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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.
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 W_el umgewandelt.
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 W_el umwandeln zu können.
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.
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.
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.
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.
Der Einsatz eines zweiten schwarzen Strahlers 1 am Ende der Verfahrenskette ersetzt die Aufgaben des Filter 3 und/oder des Spiegels 5.

1: schwarzer Strahler
2: Empfänger
3: Filter
4a bis d: elektromagnetische Strahlungsenergie
5: Spiegel
6: optisches System

Claims

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.
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.
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.
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.
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.