DIN EN 9100 - Luft- und Raumfahrttechnik

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: Wolfgang Glatthorn

THERMOVOLTAIK - STROM AUS WÄRME
DIE NEUEN THERMOGENERATOREN - UMWELTFREUNDLICH - KOMPAKT UND LEISTUNGSFÄHIG
Informationsstand: 30.03.2005
Die Thermovoltaik ist das Arbeitsgebiet der Physik, das sich mit der Umsetzung von Wärmeenergie in elektrische Energie befasst.
Ein Thermogenerator (Patent) besteht aus mehreren in Reihe flächig kontaktierten Kohle/Graphitplatten. Diese dienen als Träger (Substrate) von dünnschichtig aufgetragenen thermoelektrischen Materialien wie NiCu-NiCr und werden flächig kontaktiert danach auf einer Seite erhitzt, auf der Seite gegenüber mit Wasser oder besser mit flüssigem Wasserstoff gekühlt und gasförmig in den Brennraum geleitet. Durch die Temperaturdifferenz entsteht eine elektrische Gleichspannung mit sehr hoher Stromdichte.
Die Kühlung einer Elementenreihe identischer Thermopaare ist eine bequeme Kompromisslösung, die Energieumwndlung wird so nicht voll genutzt.
Die neue Thermogeneratoren-Generation nach der Additivmethode mit Thermozellen ist effektiver im Vergleich zum Temperarurgradientenverfahren, wie oben.
Eine Thermozelle besteht aus zwei Schichten thermoelektrischer Materialien die flächig kontaktiert sind, so entsteht ein Thermoelement mit hohem Stromfluss zu einem Verbraucher, eine typische Eigenschaft der Thermoelementen. Schaltet man mehrere Elemente in Reihe, um höhere Spannung zu gewinnen, wird als Verbindung zwischen den einzelnen flachen Thermoelementen, ebenso flächig kontaktiert, ein Gleichrichtermaterial eingesetzt. Die Thermospannung der einzelnen Elementen addieren sich (Additivmethode), vergleichbar mit in Reihe geschalteten Trockenbatterien, eine Kühlung ist so nicht erforderlich. Die zugeführte Wärmeenergie ist mit allen Brennstoffarten möglich, durch Kraft-Wärme-Kopplung, Erdwärme oder Sonneneinstrahlung.
Beide Generatorentypen sind einfach kompakt konstruiert und erlauben hohe Leistungen ohne aufwendige Komponente, geeignet für Blockheizkraftwerke als Anlagen mit 220-230 Volt, Strom- und Warmwasserlieferant für Haushalte, als Antrieb für Elektrofahrzeuge oder Grossanlagen mit >200 Megawattleistung und flüssigem Wasserstoff als Brennstoff.
Weitere Anwendungen als 5 mm Dünnschichtiges Kraft-Wärme-Kopplung- und Solarmodule mit mehreren hundert Quadratmeter, Zugmaschinen bis 3000 kW für die Bahn oder Genratoren mit >15.000 kW Leistung für die Schifffahrt, insbesondere Geovoltaiksonden die Wechselspannung direkt aus der Tiefe der Erde liefern.
Thermogeneratoren sind keinem Verschleiss ausgesetzt, sind lautlos und umweltfreundlich. Die Additivschaltung bietet zudem in der Sensorentechnik ein neues Feld von Applikationen mit höheren Empfindlichkeiten.
RZ-Thermogeneratoren nach der Additivmethode im thermisch geschlossenen Gehäuse, mit elektronisch geregeltem Luft-Wasserstoff-Gasgemisch und Brennstoffzufur, könnten einen Wirkungsgrad bei voller Leistung, von mehr als 80\% erreichen. Es muss nur die Wärmemenge nachgeführ werden die ein thermisch nach aussen gut isoliertes Gehäuse an die Umgebung abgibt.
Die Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien wie Siliziumkarbide, und auch halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhrechen (CNT) mit physikalische Eigenschften die für den Einsatz in der Thermovoltaik (Hochtemperatur-ADD) geradezu prädestiniert sind, lässt für die Zukunft auf weit höheren Generatorleistungen (Faktor 10-15) hoffen.
Der durch den Umwandlungsprozess gewonnene Gleichstrom wird mit einem speziellen Hochstrom-Wechselrichter in nutzbarer Wechselspannung erreicht.
HOCHSTROM-WECHSELRICHTER
Neuartige hochstrom Bauelemente für die Elektronik- und Elektrobranche eröffnen neue Anwendungsgebiete in der Starkstromtechnik mit niedrigen elektrischen Spannungen.
Ursprünglich für Thermogeneratoren entwickelt, zur Umwandlung sehr hoher Gleichströme reicht die Applikation von Wechselrichtern mit leistungsfähigen Schaltelementen auf Platinen mit Normraster, bis zu Anlagen für sehr hoher Stromdichte.
Ein speziell entwickelter Hochstrom-Leistungswechselrichter (DC/AC-Inverter) unkonventioneller Bauart, mit Leistungsbauelementen als Thyristorersatz, kann die Gleichspannung in Mehrphasenwechselspannung (Drehstromsimulator) umsetzen, Frequenz variabel bis 60Hz.
Diese zukunftsorientierten Technologien sind als Investitionsofferte mit hoher Kapitalrentabilität im Angebot, Kooperation erwünscht. Weltpatent in Vorbereitung.
Weitere Informationen: www.eksom.com, www.google.de: >Thermovoltaik, >Thermogeneratoren.
INNOVATIVE TECHNOLOGIEN (RZ-IT)
Rudolf Zölde
Süntelstr. 53
D-31785 Hameln
Tel./Fax: 05151/781411
Mobil: 01605219273
Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

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THERMOVOLTAIK - STROM AUS WÄRME
DIE NEUEN THERMOGENERATOREN - UMWELTFREUNDLICH - KOMPAKT UND LEISTUNGSFÄHIG
Informationsstand: 30.03.2005
Die Thermovoltaik ist das Arbeitsgebiet der Physik, das sich mit der Umsetzung von Wärmeenergie in elektrische Energie befasst.
Ein Thermogenerator (Patent) besteht aus mehreren in Reihe flächig kontaktierten Kohle/Graphitplatten. Diese dienen als Träger (Substrate) von dünnschichtig aufgetragenen thermoelektrischen Materialien wie NiCu-NiCr und werden flächig kontaktiert danach auf einer Seite erhitzt, auf der Seite gegenüber mit Wasser oder besser mit flüssigem Wasserstoff gekühlt und gasförmig in den Brennraum geleitet. Durch die Temperaturdifferenz entsteht eine elektrische Gleichspannung mit sehr hoher Stromdichte.
Die Kühlung einer Elementenreihe identischer Thermopaare ist eine bequeme Kompromisslösung, die Energieumwndlung wird so nicht voll genutzt.
Die neue Thermogeneratoren-Generation nach der Additivmethode mit Thermozellen ist effektiver im Vergleich zum Temperarurgradientenverfahren, wie oben.
Eine Thermozelle besteht aus zwei Schichten thermoelektrischer Materialien die flächig kontaktiert sind, so entsteht ein Thermoelement mit hohem Stromfluss zu einem Verbraucher, eine typische Eigenschaft der Thermoelementen. Schaltet man mehrere Elemente in Reihe, um höhere Spannung zu gewinnen, wird als Verbindung zwischen den einzelnen flachen Thermoelementen, ebenso flächig kontaktiert, ein Gleichrichtermaterial eingesetzt. Die Thermospannung der einzelnen Elementen addieren sich (Additivmethode), vergleichbar mit in Reihe geschalteten Trockenbatterien, eine Kühlung ist so nicht erforderlich. Die zugeführte Wärmeenergie ist mit allen Brennstoffarten möglich, durch Kraft-Wärme-Kopplung, Erdwärme oder Sonneneinstrahlung.
Beide Generatorentypen sind einfach kompakt konstruiert und erlauben hohe Leistungen ohne aufwendige Komponente, geeignet für Blockheizkraftwerke als Anlagen mit 220-230 Volt, Strom- und Warmwasserlieferant für Haushalte, als Antrieb für Elektrofahrzeuge oder Grossanlagen mit >200 Megawattleistung und flüssigem Wasserstoff als Brennstoff.
Weitere Anwendungen als 5 mm Dünnschichtiges Kraft-Wärme-Kopplung- und Solarmodule mit mehreren hundert Quadratmeter, Zugmaschinen bis 3000 kW für die Bahn oder Genratoren mit >15.000 kW Leistung für die Schifffahrt, insbesondere Geovoltaiksonden die Wechselspannung direkt aus der Tiefe der Erde liefern.
Thermogeneratoren sind keinem Verschleiss ausgesetzt, sind lautlos und umweltfreundlich. Die Additivschaltung bietet zudem in der Sensorentechnik ein neues Feld von Applikationen mit höheren Empfindlichkeiten.
RZ-Thermogeneratoren nach der Additivmethode im thermisch geschlossenen Gehäuse, mit elektronisch geregeltem Luft-Wasserstoff-Gasgemisch und Brennstoffzufur, könnten einen Wirkungsgrad bei voller Leistung, von mehr als 80\% erreichen. Es muss nur die Wärmemenge nachgeführ werden die ein thermisch nach aussen gut isoliertes Gehäuse an die Umgebung abgibt.
Die Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien wie Siliziumkarbide, und auch halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhrechen (CNT) mit physikalische Eigenschften die für den Einsatz in der Thermovoltaik (Hochtemperatur-ADD) geradezu prädestiniert sind, lässt für die Zukunft auf weit höheren Generatorleistungen (Faktor 10-15) hoffen.
Der durch den Umwandlungsprozess gewonnene Gleichstrom wird mit einem speziellen Hochstrom-Wechselrichter in nutzbarer Wechselspannung erreicht.
HOCHSTROM-WECHSELRICHTER
Neuartige hochstrom Bauelemente für die Elektronik- und Elektrobranche eröffnen neue Anwendungsgebiete in der Starkstromtechnik mit niedrigen elektrischen Spannungen.
Ursprünglich für Thermogeneratoren entwickelt, zur Umwandlung sehr hoher Gleichströme reicht die Applikation von Wechselrichtern mit leistungsfähigen Schaltelementen auf Platinen mit Normraster, bis zu Anlagen für sehr hoher Stromdichte.
Ein speziell entwickelter Hochstrom-Leistungswechselrichter (DC/AC-Inverter) unkonventioneller Bauart, mit Leistungsbauelementen als Thyristorersatz, kann die Gleichspannung in Mehrphasenwechselspannung (Drehstromsimulator) umsetzen, Frequenz variabel bis 60Hz.
Diese zukunftsorientierten Technologien sind als Investitionsofferte mit hoher Kapitalrentabilität im Angebot, Kooperation erwünscht. Weltpatent in Vorbereitung.
Weitere Informationen: www.eksom.com, www.google.de: >Thermovoltaik, >Thermogeneratoren.
INNOVATIVE TECHNOLOGIEN (RZ-IT)
Rudolf Zölde
Süntelstr. 53
D-31785 Hameln
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Mobil: 01605219273
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ADD-THERMOGENERATOREN - Dezentrale Stromversorgung für jeden Haushalt
THERMOVOLTAIK - STROM AUS WÄRME
Die neue Thermogeneratoren-Generation, umweltfreundlich, effizient, kompakt und leistungsfähig.
Informationsstand: 29.06.2007.
Die Thermovoltaik ist das Arbeitsgebiet der Physik, das sich mit der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie befasst. Wenn zwei unterschiedliche Metalle oder Legierungen zusammen kontaktiert und erhitzt werden, entsteht eine niedrige elektrische Spannung.
Ein Thermostromgenerator Patent DE 43 13 827 A1, besteht aus mehreren in Reihe flächig kontaktierten Metallschichten auf geeigneten Trägern aus thermoelektrisch neutralen Materialien, die als Stromleiter dienen.
Die neuen thermoelektrischen Generatoren nach der Additivmethode, die mit in Reihe kontaktierten Thermozellen aufgebaut sind, wirken effektiver im Vergleich zum nicht mehr zeitgemässen Temperaturgradientenverfahren, eine zusätzliche Kühlung wie allgemein bekannt, ist nicht erforderlich.
Eine Thermozelle besteht aus zwei dünnfilmschichtig kontaktierte thermoelektrischen Materialien und bildet ein Flachthermoelement, zusätzlich einem ebenfalls flächig kontaktierten Material mit Gleichrichtereigenschaften mit kompatiblem Parameter in Millivoltbereich. Verbindet man flächig mehrere Thermozellen in Reihe als Thermosäulenblock um höhere Spannung zu gewinnen, summieren sich die einzelnen Zellenspannungen durch die Gleichrichterwirkung der Additivmethode, vergleichbar mit in Reihe geschalteten Batterien.
Die Additivschaltung bietet zudem neue Applikationen in der Sensorentechnik mit höheren Empfindlichkeiten.
Die neuesten leistungsfähigen Thermozellentypen RZ5130 liefern im Vergleich zu den bekannten Telluriden höhere Werte. Die gewünschte Gleichspannung wird durch die Anzahl der Zellen erreicht, der Stromwert mit deren Flächengrössen.
Entscheidend für die Leistung eines Generators ist der Stromwert in Ampere/mm_ und ist die Menge der Elektronen die als negative Ladungsträger im intermolekularen Elekronenaustausch abläuft. In der flächigen Kontaktzone zwischen den eingeschmolzenen unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien entsteht eine unterschiedliche Ladungsträgerdichte, deren Werte sind im Gesamtsystem proportional der zugeführten Wärmeenergie.
Die Wärmeenergiezufuhr ist mit allen Brennstoffarten möglich. Durch Kraft-Wärme-Kopplung in der Industrie, Biogas, Sonneneinstrahlung mit Thermo- und Photovoltaik-Solarzellenkopplung oder mit Wasserstoff aus Sonnenenergie gewonnen oder Geothermie, Geovoltaiksonden liefern mit speziellen DC/AC-Invertern Wechselspannungen direkt aus der Tiefe der Erde,
Adäquat dimensionierte ADD-Thermogeneratoren mit einem hierfür neuentwickelten integrierten Hochstromwechselrichter können weit über 200 Megawatt Nennleistung erreichen.
Thermogeneratoren, die im thermisch geschlossenen Gehäuse untergebracht sind, können bezogen auf den Kraftstoffverbrauch, mit Hunderten kW und Wirkungsgrad bis 80\% eingesetzt, bezogen auf Primärenergie. Es muss nur die Wärmemenge nachgeführt werden die ein thermisch nach aussen gut isoliertes Generatorgehäuse an die Umgebung abgibt.
Neuentwickelten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) Materialien wirken als Flachgleichrichter und erlangen dadurch eine Stromleitfähigkeit mit physikalischen Eigenschaften die für den Einsatz in der Thermovoltaik geradezu prädestiniert sind und lassen für die Zukunft auf weit höhere Generatorleistungen hoffen.
Die Stromstärke (I) ist definiert durch den Quotienten q/t.
I = q/t oder q = I t
wobei q die in der Zeit t durch den Leiterquerschnitt fliessenden Elektrizitäts- oder Ladungsmenge bedeutet.
Wenn jedes Elektron die Elektrizitätsmenge q transportiert und die Elektronenanzahl in der Zeit t durch den Leiterquerschnitt fliessen, so ist
q = nq und I = nq/t
Die Einheit der Elektrizitätsmenge ist 1 Coulomb (Cb), es besteht der Zusammenhang
1 Ampere = 1 Coulomb/1 Sekunde
Eine typische Eigenschaft von Flachthermoelementen ist die immense Ladungsmenge definiert durch die Kontaktflächen in mm_ zwischen unterschiedlichen Materialien.
Bei normaler Umgebungstemperatur von 20_C = 293_ Kelvin sind alle Elekronen in Bewegung beginnend ab >0_ Kelvin. Der Austritt ersten Elektronen in der Temperaturgradienten Skala ist eine Materialkonstante, es muss die gleich- oder höhere Wärmeenergie zugeführt sein wie die Bindungskraft der befreiten instabilen Elektronen der Aussenschalen.
Nach dem Ohmschen Gesetz ist Strom die Spannung geteilt durch den Innenwiderstand des Elementes. Metalle haben einen relativ niedrigen Ohmschen Widerstand.
Ein Meter Kupferdraht von 1 m (1000mm) Länge, 1 mm_ Querschnitt bei 20_C hat einen Widerstand von 0,017 Ohm (Ω).
1 mm _Länge“, also Dicke gleich 0,000.017 Ohm und ein Zehntel davon also 0,1 mm R = 0,000.0017.
Eine Kupferfolie mit 0,1 mm Dicke und 30 mm x 30 mm (Fläche 900 mm_) ergibt demnach zwischen den beiden Flächen dieser Folie einen Innenwiderstand von R = 0,000.0017/900 = 0,000.000.002 Ohm, oder 0,002 Mikroohm.
Bezogen auf Konstantan und gleicher Fläche mit 0,1 mm Dicke gleich R = 0,000.000.003 Ohm.
Beide zusammen als Flachthermoelement kontaktiert mit 0,2 mm Dicke ergibt einen Gesamtinnenwiderstand von
R = 0,005 Mikroohm.
Ein Kupfer/Konstantan Element ergibt bei 800_C eine Gleichspannung von ca. 0,06 Volt, demnach
I = U/R einen Stromwert von 12.000.000 Ampere, (zwölf Millionen) entsprechend eine Leistung von U * I = 720 kW.
Wenn das Ohmsche Gesetz hier noch anwendbar ist, stellt sich die Frage der potentiellen Austrittsenergie der immensen freien Elektronenmenge die scheinbar zu gering ist, als dass diese in einem Stromkreislauf ohne zusätzliche Anregung fliessen könnte.
Eine weltweite Industrie hat sich auf die Herstellung von genormten Thermoelementen spezialisiert, die ausschliesslich aus zwei zusammengeschweissten Drähten unterschiedlicher Metalle/Legierungen bestehen, die geschweissten Kontaktflächen sind nur einige mm_, die Stromstärke bei maximal erlaubten Temperatur erreicht über ein Ampere.
Vergrössert man die Kontaktfläche zu einem Flachthermoelement mit gleichen Materialien um mehrere mm_, verringert sich die mittlere Stromstärke.
Eine Erklärung ist die Streuung des Elektronenflusses durch die Inhomogenität der Materialien innerhalb der flächig kontaktierten Schichten im Gegensatz zur kristallinen Struktur der bekannten Siliciumdioden.
Vertikal zur Fläche angeordnete Nano-Kohlenstoff-Röhrchen würden die Streuung verringern, ebenso die als dritte Beschichtung mit Nano-Kohlenstoff Gleichrichter-Effekt.
Praktische Versuche haben gezeigt, dass durch die periodischen Unterbrechungen des zunächst schwachen Stromflusses in Intervallen von Millisekunden und zusätzlich mit Stromflussumpolung, mit einem für diese Zwecke entwickelten Hochstromwechselrichter, die Trägheit der Elektronen beeinflusst wird, insbesondere ist eine erhöhte Elektronenaktivität bei induktiven Lasten durch die Selbstinduktionsspannung zu beobachten.
Bei allen Bemühungen die Streuung des Elektronenflusses zu korrigieren, ist die tatsächlich einzig wirkende Kraft in einem thermoelektrischen geschlossenen System Generator-Verbraucher der Anteil der Atome die durch die Zufuhr von Wärme Elektronen freigaben und somit eine positive Ladung haben. Die entstandenen Löcher in den äusseren Elektronenschalen der Atome haben eine wirkende Sogkraft, die zur Neutralisation neigt und den Stromfluss aufrecht hält. Der maximal mögliche Wirkungsgrad kommt nur dann zustande, wenn der Anteil der positiven Ladungen gleich oder höher ist als der der negativen Ladungsträger der freigewordenen Elektronen am Gegenpol.
Allein die positiven Ladungen haben eine anziehend wirkende Kraft durch die Protonen im Atomkern die auf die freien Elektronen als inaktive negative Ladungsträger ausübt. Der momentane Zustand der Mengendifferenz zwischen negativen und positiven Ladungspotentialen ist die messbare elektrische Spannung.
In der Masse verbirgt sich eine gewaltige ruhende Energiemenge E = m, würde man diese Masse von Null auf maximal mögliche Geschwindigkeit bringen also Lichtgeschwindigkeit, gleich Einsteins bekannte Formel E = mc_, und als praktischer Beweis die Atombombe E = mc_8 mit sphärischer Ausbreitung.
Die Verbindung eines Stromleiters zum Verbraucher (Lastwiderstand) bis zum Gegenpol des Thermosäulenblockes aus Kupfer- oder Graphitblöcken muss ausreichend dimensioniert sein, Thermoelemenen-Flächengrösse oder mehr, damit die freigewordenen Elektronen, die eine geringe potentielle Energie besitzen, mit wenig Verlusten am Minuspol den Stromkreislauf schliessen.
Hier wirkt der Elektronenanteil des Gegenpols, mit geringerem negativen Potential als Enerieverlust: Verbraucherausgang- Plusspannung minus Plusspannungsanteil am Gegenpol bezogen auf den Gesamtinnenwiderstand des Systems.
Tatsache ist auch, dass zwischen den zwei flächig kontaktierten unterschiedlichen Materialien
eine Spannung ansteht. Diese Spannung gibt an, dass eine innere Energie U (Einheit J für Joule) in Form von konzentrierten negativ energiegeladenen Elektronen zum Potentialausgleich einen Ausweg mit einer niedrigeren Elektronenkonzentration nach aussen suchen.
Der berechnete Stromwert sollte demnach tatsächlich auch entstehen, sehr unwahrscheinlich ist
aber dies in der Praxis nach heutigem Stand voll umzusetzen, und hier ist das eigentliche noch unerforschte Problem. Die Differenz zwischen den gemessenen und berechneten Werten ist als Verlustfaktor zu interpretieren.
Entscheidend für eine effektive Stromausbeute ist die intramolekulare Bindung in der dünnschichtigen Kontaktzone zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien, die oft nur durch die Verschmelzung effektiv erreicht werden kann und setzt voraus, dass eine absolut homogene Beschichtung ohne Verunreinigungen durch Fremdstoffe vorliegt, die sonst zusätzlich zur Streuung der Elektronenflussrichtung innerhalb der Schichten führt mit der Folge, dass kein oder nur ein geringer Stromfluss im Kreislauf entstehen kann.
Wird einer Additv-Thermosäule, bestehend aus einer Vielzahl von Flachthermozellen Wärme zugeführt, bildet sich an der letzten Kathode duch die Addition der einzelnen Zellenspannungen eine negative irreversible Ladung als Elektronenüberschuss.
Verbindet man mit einem Stromleiter, dessen Querschnitt gleich oder grösser ist als der einer Thermozelle die gewonnene Spannung zum Potentialausgleich mit dem Gegenpol der Thermosäule, entsteht ein Kurzschluss. Der Stromfluss erreicht den höchstmöglichen Wert bei der gegebenen Temperatur und ist ein Mass für die Qualität der Thermozellentypen. Die Spannung und Leistung sind dann in diesem Fall gleich Null.
Die Elektronen als negative Ladungsträger am Pluspol fliessen durch den Verbraucher. Durch den Aufprall auf die vorhandenen Elektronen der Verbrauchermaterialien entsteht ein Widerstand für den Durchfluss. Ein Betrag des Ladungspotentials wird dadurch in Wärme umgewandelt und am Ausgang des Verbrauchers ist ein Spannungsabfall erkennbar dessen Wert proportional zum Innenwiderstand des Verbrauchers steht.
Ist der Aussenwiderstandswert identisch mit dem Innenwiderstand des Thermogenerators, Ri + Ra,
wird die maximale Leistung am Verbraucher übertragen, nach Carnot-Prozess mit einem Wirkungsgrad von 48\%.
Ein HOCHSTROMWECHSELRICHTER (DC/AC-Inverter) für Thermogeneratoren konzipiert, eröffnet neue Anwendungsgebiete in der Starkstromtechnik mit niedrigen elektrischen Spannungen.
Typische Eigenschaften sind Eingangsgleichspannung 0,1 Volt bis 250 Volt, Ausgangs-Spitzenwechselspannung 0,2 bis 500 Volt, Frequenz variabel bis 800 Hz und ist unentbehrlich für die Entnahme des maximal möglichen Stromwertes die Thermozellen der Thermosäule liefern könnten.
Beispiel. Durchgangstrom mit 14 Volt ca. 50.000 Ampere und

ADD-THERMOGENERATOREN - Dezentrale Stromversorgung für jeden Haushalt
THERMOVOLTAIK - STROM AUS WÄRME
Die neue Thermogeneratoren-Generation, umweltfreundlich, effizient, kompakt und leistungsfähig.
Informationsstand: 29.06.2007.
Die Thermovoltaik ist das Arbeitsgebiet der Physik, das sich mit der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie befasst. Wenn zwei unterschiedliche Metalle oder Legierungen zusammen kontaktiert und erhitzt werden, entsteht eine niedrige elektrische Spannung.
Ein Thermostromgenerator Patent DE 43 13 827 A1, besteht aus mehreren in Reihe flächig kontaktierten Metallschichten auf geeigneten Trägern aus thermoelektrisch neutralen Materialien, die als Stromleiter dienen.
Die neuen ADD-Thermogeneratoren die mit in Reihe kontaktierten Thermozellen aufgebaut sind, sind effektiver im Vergleich zum nicht mehr zeitgemässen Temperaturgradientenverfahren, eine zusätzliche Kühlung wie allgemein bekannt, ist nicht erforderlich. Eine Thermozelle- oder Säule wird erwärmt, der angeschlossene Verbraucher ist kälter somit ist der Seebeck-Effekt erfüllt.
Die tatsächlich einzig wirkende Kraft in einem thermoelektrischen geschlossenen System Generator-Verbraucher ist der Anteil der Atome die durch die Zufuhr von Wärme [Q] Elektronen vom Aufenthaltsort der äusseren Elektronenschale des Atoms freigaben und somit eine positive Ladung [+] haben.
Die so entstandenen Löcher erzeugen eine Sogkraft die den Stromfluss bis zur vollständigen Neutralisation aufrecht hält. Der maximal mögliche Wirkungsgrad kommt nur dann zustande, wenn der Anteil der positiven Ladungen gleich oder höher ist als der des negativen Ladungsträger [-] freigewordene Elektronen am Gegenpol.
Eine Thermozelle besteht aus zwei dünnfilmschichtig kontaktierte thermoelektrischen Materialien und bildet ein Flachthermoelement, zusätzlich einem ebenfalls flächig kontaktierten Material mit Gleichrichtereigenschaften mit kompatiblem Parameter in Millivoltbereich. Verbindet man flächig mehrere Thermozellen in Reihe als Thermosäulenblock um höhere Spannung zu gewinnen, summieren sich die einzelnen Zellenspannungen durch die Gleichrichterwirkung der Additivmethode, vergleichbar mit in Reihe geschalteten Batterien.
Die Additivschaltung bietet zudem neue Applikationen in der Sensorentechnik mit höheren Empfindlichkeiten.
Die neuesten leistungsfähigen Thermozellentypen RZ5130 liefern im Vergleich zu den bekannten Telluriden höhere Werte. Die gewünschte Gleichspannung wird durch die Anzahl der Zellen erreicht, der Stromwert mit deren Flächengrössen.
Entscheidend für die Leistung eines Generators ist der Stromwert in Ampere/mm_ und ist die Menge der Elektronen die als negative Ladungsträger im intermolekularen Elekronenaustausch abläuft. In der flächigen Kontaktzone zwischen den eingeschmolzenen unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien entsteht eine unterschiedliche Ladungsträgerdichte, deren Werte sind im Gesamtsystem proportional der zugeführten Wärmeenergie.
Die Wärmeenergiezufuhr ist mit allen Brennstoffarten möglich. Durch Kraft-Wärme-Kopplung in der Industrie, Biogas, Sonneneinstrahlung mit Thermo- und Photovoltaik-Solarzellenkopplung oder mit Wasserstoff aus Sonnenenergie gewonnen oder Geothermie, Geovoltaiksonden liefern mit speziellen DC/AC-Invertern Wechselspannungen direkt aus der Tiefe der Erde,
Adäquat dimensionierte ADD-Thermogeneratoren mit einem hierfür neuentwickelten integrierten Hochstromwechselrichter können weit über 200 Megawatt Nennleistung erreichen.
Thermogeneratoren, die im thermisch geschlossenen Gehäuse untergebracht sind, können bezogen auf den Kraftstoffverbrauch, mit Hunderten kW und Wirkungsgrad bis 80\% eingesetzt, bezogen auf Primärenergie. Es muss nur die Wärmemenge nachgeführt werden die ein thermisch nach aussen gut isoliertes Generatorgehäuse an die Umgebung abgibt.
Neuentwickelten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) Materialien wirken als Flachgleichrichter und erlangen dadurch eine Stromleitfähigkeit mit physikalischen Eigenschaften die für den Einsatz in der Thermovoltaik geradezu prädestiniert sind und lassen für die Zukunft auf weit höhere Generatorleistungen hoffen.
Die Stromstärke (I) ist definiert durch den Quotienten q/t.
I = q/t oder q = I t
wobei q die in der Zeit t durch den Leiterquerschnitt fliessenden Elektrizitäts- oder Ladungsmenge bedeutet.
Wenn jedes Elektron die Elektrizitätsmenge q transportiert und die Elektronenanzahl in der Zeit t durch den Leiterquerschnitt fliessen, so ist
q = nq und I = nq/t
Die Einheit der Elektrizitätsmenge ist 1 Coulomb (Cb), es besteht der Zusammenhang
1 Ampere = 1 Coulomb/1 Sekunde
Eine typische Eigenschaft von Flachthermoelementen ist die immense Ladungsmenge definiert durch die Kontaktflächen in mm_ zwischen unterschiedlichen Materialien.
Bei normaler Umgebungstemperatur von 20_C = 293_ Kelvin sind alle Elekronen in Bewegung beginnend ab >0_ Kelvin. Der Austritt ersten Elektronen in der Temperaturgradienten Skala ist eine Materialkonstante, es muss die gleich- oder höhere Wärmeenergie zugeführt sein wie die Bindungskraft der befreiten instabilen Elektronen der Aussenschalen.
Nach dem Ohmschen Gesetz ist Strom die Spannung geteilt durch den Innenwiderstand des Elementes. Metalle haben einen relativ niedrigen Ohmschen Widerstand.
Ein Meter Kupferdraht von 1 m (1000mm) Länge, 1 mm_ Querschnitt bei 20_C hat einen Widerstand von 0,017 Ohm (Ω).
1 mm _Länge“, also Dicke gleich 0,000.017 Ohm und ein Zehntel davon also 0,1 mm R = 0,000.0017.
Eine Kupferfolie mit 0,1 mm Dicke und 30 mm x 30 mm (Fläche 900 mm_) ergibt demnach zwischen den beiden Flächen dieser Folie einen Innenwiderstand von R = 0,000.0017/900 = 0,000.000.002 Ohm, oder 0,002 Mikroohm.
Bezogen auf Konstantan und gleicher Fläche mit 0,1 mm Dicke gleich R = 0,000.000.003 Ohm.
Beide zusammen als Flachthermoelement kontaktiert mit 0,2 mm Dicke ergibt einen Gesamtinnenwiderstand von
R = 0,005 Mikroohm.
Ein Kupfer/Konstantan Element ergibt bei 800_C eine Gleichspannung von ca. 0,06 Volt, demnach
I = U/R einen Stromwert von 12.000.000 Ampere, (zwölf Millionen) entsprechend eine Leistung von U * I = 720 kW.
Wenn das Ohmsche Gesetz hier noch anwendbar ist, stellt sich die Frage der potentiellen Austrittsenergie der immensen freien Elektronenmenge die scheinbar zu gering ist, als dass diese in einem Stromkreislauf ohne zusätzliche Anregung fliessen könnte.
Eine weltweite Industrie hat sich auf die Herstellung von genormten Thermoelementen spezialisiert, die ausschliesslich aus zwei zusammengeschweissten Drähten unterschiedlicher Metalle/Legierungen bestehen, die geschweissten Kontaktflächen sind nur einige mm_, die Stromstärke bei maximal erlaubten Temperatur erreicht über ein Ampere.
Vergrössert man die Kontaktfläche zu einem Flachthermoelement mit gleichen Materialien um mehrere mm_, verringert sich die mittlere Stromstärke.
Eine Erklärung ist die Streuung des Elektronenflusses durch die Inhomogenität der Materialien innerhalb der flächig kontaktierten Schichten im Gegensatz zur kristallinen Struktur der bekannten Siliciumdioden.
Vertikal zur Fläche angeordnete Nano-Kohlenstoff-Röhrchen würden die Streuung verringern, ebenso die als dritte Beschichtung mit Nano-Kohlenstoff Gleichrichter-Effekt.
Praktische Versuche haben gezeigt, dass durch die periodischen Unterbrechungen des zunächst schwachen Stromflusses in Intervallen von Millisekunden und zusätzlich mit Stromflussumpolung, mit einem für diese Zwecke entwickelten Hochstromwechselrichter, die Trägheit der Elektronen beeinflusst wird, insbesondere ist eine erhöhte Elektronenaktivität bei induktiven Lasten durch die Selbstinduktionsspannung zu beobachten.
Bei allen Bemühungen die Streuung des Elektronenflusses zu korrigieren, ist die tatsächlich einzig wirkende Kraft in einem thermoelektrischen geschlossenen System Generator-Verbraucher der Anteil der Atome die durch die Zufuhr von Wärme Elektronen freigaben und somit eine positive Ladung haben. Die entstandenen Löcher in den äusseren Elektronenschalen der Atome haben eine wirkende Sogkraft, die zur Neutralisation neigt und den Stromfluss aufrecht hält. Der maximal mögliche Wirkungsgrad kommt nur dann zustande, wenn der Anteil der positiven Ladungen gleich oder höher ist als der der negativen Ladungsträger der freigewordenen Elektronen am Gegenpol.
Allein die positiven Ladungen haben eine anziehend wirkende Kraft durch die Protonen im Atomkern die auf die freien Elektronen als inaktive negative Ladungsträger ausübt. Der momentane Zustand der Mengendifferenz zwischen negativen und positiven Ladungspotentialen ist die messbare elektrische Spannung.
In der Masse verbirgt sich eine gewaltige ruhende Energiemenge E = m, würde man diese Masse von Null auf maximal mögliche Geschwindigkeit bringen also Lichtgeschwindigkeit, gleich Einsteins bekannte Formel E = mc_, und als praktischer Beweis die Atombombe E = mc_8 mit sphärischer Ausbreitung.
Die Verbindung eines Stromleiters zum Verbraucher (Lastwiderstand) bis zum Gegenpol des Thermosäulenblockes aus Kupfer- oder Graphitblöcken muss ausreichend dimensioniert sein, Thermoelemenen-Flächengrösse oder mehr, damit die freigewordenen Elektronen, die eine geringe potentielle Energie besitzen, mit wenig Verlusten am Minuspol den Stromkreislauf schliessen.
Hier wirkt der Elektronenanteil des Gegenpols, mit geringerem negativen Potential als Enerieverlust: Verbraucherausgang- Plusspannung minus Plusspannungsanteil am Gegenpol bezogen auf den Gesamtinnenwiderstand des Systems.
Tatsache ist auch, dass zwischen den zwei flächig kontaktierten unterschiedlichen Materialien
eine Spannung ansteht. Diese Spannung gibt an, dass eine innere Energie U (Einheit J für Joule) in Form von konzentrierten negativ energiegeladenen Elektronen zum Potentialausgleich einen Ausweg mit einer niedrigeren Elektronenkonzentration nach aussen suchen.
Der berechnete Stromwert sollte demnach tatsächlich auch entstehen, sehr unwahrscheinlich ist
aber dies in der Praxis nach heutigem Stand voll umzusetzen, und hier ist das eigentliche noch unerforschte Problem. Die Differenz zwischen den gemessenen und berechneten Werten ist als Verlustfaktor zu interpretieren.
Entscheidend für eine effektive Stromausbeute ist die intramolekulare Bindung in der dünnschichtigen Kontaktzone zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien, die oft nur durch die Verschmelzung effektiv erreicht werden kann und setzt voraus, dass eine absolut homogene Beschichtung ohne Verunreinigungen durch Fremdstoffe vorliegt, die sonst zusätzlich zur Streuung der Elektronenflussrichtung innerhalb der Schichten führt mit der Folge, dass kein oder nur ein geringer Stromfluss im Kreislauf entstehen kann.
Wird einer Additv-Thermosäule, bestehend aus einer Vielzahl von Flachthermozellen Wärme zugeführt, bildet sich an der letzten Kathode duch die Addition der einzelnen Zellenspannungen eine negative irreversible Ladung als Elektronenüberschuss.
Verbindet man mit einem Stromleiter, dessen Querschnitt gleich oder grösser ist als der einer Thermozelle die gewonnene Spannung zum Potentialausgleich mit dem Gegenpol der Thermosäule, entsteht ein Kurzschluss. Der Stromfluss erreicht den höchstmöglichen Wert bei der gegebenen Temperatur und ist ein Mass für die Qualität der Thermozellentypen. Die Spannung und Leistung sind dann in diesem Fall gleich Null.
Die Elektronen als negative Ladungsträger am Pluspol fliessen durch den Verbraucher. Durch den Aufprall auf die vorhandenen Elektronen der Verbrauchermaterialien entsteht ein Widerstand für den Durchfluss. Ein Betrag des Ladungspotentials wird dadurch in Wärme umgewandelt und am Ausgang des Verbrauchers ist ein Spannungsabfall erkennbar dessen Wert proportional zum Innenwiderstand des Verbrauchers steht.
Ist der Aussenwiderstandswert identisch mit dem Innenwiderstand des Thermogenerators, Ri + Ra,
wird die maximale Leistung am Verbraucher übertragen, nach Carnot-Prozess mit einem Wirkungsgrad von 48\%.
Ein HOCHSTROMWECHSELRICHTER (DC/AC-Inverter) für Thermogeneratoren konzipiert, eröffnet neue Anwendungsgebiete in der Starkstromtechnik mit niedrigen elektrischen Spannungen.
Typische Eigenschaften sind Eingangsgleichspannung 0,1 Volt bis 250 Volt, Ausgangs-Spitzenwechselspannung 0,2 bis 500 Volt, Frequenz variabel bis 800 Hz und ist unentbehrlich für die Entnahme des maximal möglichen Stromwertes die Thermozellen der Thermosäule liefern könnten.
Beispiel. Durchgangstrom mit 14 Volt ca. 50.000 Ampere und