Patent DE-102014010885-B4 (DE)
Title: Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie
Inventor: GOOTZ MATTHIAS
IPC: H02N11/00
Filed: 2014-07-18
Granted: 2019-12-05
Abstract: Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie in einem Stromkreis (20) mit Spannungsquelle (6, 28) und Verbrauchseinrichtung (7),aufweisend folgende Schritte- Beschichten mindestens eines isolierenden dielektrischen Materials (3) mit einer kristallinen und eine Defektkonzentration aufweisenden Struktur mit metallischen Elektroden (4, 5) zur Ausbildung mindestens eines Metall-Isolator-Metall-Stapels (43), wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel (43) zu dem Stromkreis (20) mit Spannungsquelle (6, 28) und Verbrauchseinrichtung (7) gehört,- Anlegen/Schalten einer Spannung UPE aus der Spannungsquelle (6, 28) zur Erniedrigung der Kristallsymmetrie durch Ausbildung eines Defektkonzentrationsgradienten im isolierenden dielektrischen Material (3), wobei das isolierende dielektrische Material (3) zu einem schaltbaren pyroelektrischen Material wird, und damit- Erzeugen von pyroelektrischen Phasen im isolierenden dielektrischen Material (3), die eine Polarisation im Material (3) erzeugen,- Ankoppeln von Wärmeströmen hoher Temperatur Tund Wärmeströmen niedriger Temperatur Tals eingebrachte thermische Energie im vorgegeben Wechsel mittels eines Wärmeübertragers (8) an die erzeugten pyroelektrischen Phasen, wobei der Metall-Isolator-Metall-Stapel (43), die Spannungsquelle (6, 28), die Verbrauchseinrichtung (7) und der thermisch ankoppelbare Wärmeübertrager (8) einen schaltbaren pyroelektrischen Wandler (2) bilden, und- Abgreifen eines elektrischen Stromes als elektrische Energie aus dem Stromkreis (20) nach dem wechselseitigen thermischen Ankoppeln der Wärmeströme als Folge einer Polarisationsänderung der vorher erzeugten pyroelektrischen Phasen, dadurch gekennzeichnet,dass als pyroelektrisches Material ein mit Defekten versehenes, isolierendes dielektrisches Material (3) mit einer zentrosymmetrischen Kristallsymmetrie und einer Defektkonzentration eingesetzt wird, an dem durch Spannungszuschaltung eine Pyroelektrizität aufgebaut wird und die über einen konventionellen Olsen-Zyklus für pyroelektrisches Material hinaus spannungsschaltbar ausgebildet wird,wobei zum Schalten der Spannungen der konventionelle Olsen-Zyklus genutzt wird, wobei der konventionelle Olsen-Zyklus folgende Schritte aufweist:• In einem ersten Schritt (A-B) wird ein elektrodenkontaktiertes pyroelektrisches Material des pyroelektrischen Wandlers (2) bei einer vorgegebenen hohen Spannung Umittels eines Wärmeübertragers und eines den Wärmeübertrager durchströmenden hochtemperierten Fluids (10) solange aufgeheizt, bis die Polarisationskurve einer hohen Temperatur Terreicht ist,• in einem zweiten Schritt (B-C) erfolgt eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über eine an das elektrodenkontaktierende pyroelektrische Material angelegte Spannungsquelle solange, bis eine vorgegebene niedrige Spannung Uerreicht ist,• in einem dritten Schritt (C-D) erfolgt mittels eines den Wärmeübertrager durchströmenden niedrigtemperierten Fluids (11) ein Abkühlungsschritt im Bereich der vorgegebenen niedrigen Spannung Usolange, bis die Polarisationskurve einer niedrigeren Temperatur Terreicht ist, und• in einem den Kreisprozess schließenden Schritt (D-A) erfolgt eine isotherme Aufladung der Oberflächenladung OPE bis zur ursprünglich vorgegebenen hohen Spannung U, wobei die Fläche (A-B-C-D-A) die verrichtete Arbeit und damit die elektrische Energie bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie darstellt,wobei in Weiterentwicklung des konventionellen Olsen-Zyklus zumindest folgende modifizierte Schritte durchgeführt werden:• der ursprüngliche zweite Schritt (B-C) wird durch eine Steuer-/Regeleinrichtung (12) derart zu einem spannungsdifferenzvergrößerten Schritt (B-F) modifiziert, wobei von der hohen Spannung Uaus die vorgegebene niedrige Spannung Uunterschreitend bis auf eine Mindestspannung Uverringert geschaltet wird, wobei während des modifizierten zweiten Schrittes (B-F) schrittparallel eine isotherme Entladung der Oberflächenladung OPE über die angelegte Spannungsquelle (6, 28) solange durchgeführt wird, bis die Mindestspannung Uim Punkt (F) erreicht wird,• der ursprüngliche dritte Schritt (C-D) wird derart zu einem Schritt (F-D) modifiziert, dass mittels des den Wärmeübertrager (8) durchströmenden niedrigtemperierten Fluids (11) während des modifizierten dritten Schrittes (F-D) ein Abkühlungsschritt aus dem Bereich der Mindestspannung Uvom Punkt (F) aus solange erfolgt, bis die Polarisationskurve der ursprünglichen niedrigen Temperatur Tim Punkt (D) mit der Oberflächenladung OPE erreicht ist, wodurch mittels der Spannungsänderung von Unach Ubei erreichter Fläche (A-B-F-D-A) eine um die Fläche (B-F-D-C-B) erhöhte Arbeit und damit erhöhte elektrische Energie durch das schaltbare pyroelektrische Material (3) im schaltbaren pyroelektrischen Wandler (2) verrichtet wird.