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Ein Muster für die Unterlagen einer Patentanmeldung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Gewinnung elektrischer Energie aus der Sonnenergie mit Hilfe von Solarkollektoren ist allgemein bekannt. Es ist auch bekannt, dass diese Art der Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energien in der Tat erfolgt nur, wenn die Sonne genügend Energie liefert. Dies trifft bei Dunkelheit auf jeden Fall nicht zu, wenn man die elektrische Energie eigentlich am meisten benötigen kann. Dieses Problem kann unter einigen Einschränkungen beispielsweise dadurch gelöst werden, dass man tagsüber Akkumulatoren ladet. Diese haben jedoch meistens keine ausreichende Kapazität zur Speicherung von grossen Mengen von Energie. Die Speicherung von Energie könnte beispielsweise auch mit Hilfe von sogenannten Pumpspeicherwerken bewerkstelligt werden. Der Betrieb einer solchen Anlage benötigt ein hochgelegenes Staubecken. Im Gelände findet man oft keinen so beträchtlichen Höhenunterschied, dass man eine solche Anlage effizient betreiben könnte.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, welches es ermöglicht, eine praktisch beliebig grosse Menge von primärer Energie aufzunehmen, zu speichern und als sekundäre Energie dann abzugeben, wenn diese sekundäre Energien benötigt wird, und zwar unabhängig davon, ob es die primäre Energie gerade gibt oder nicht. Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens soll derart sein, dass sie sich sowohl in einem grossen als auch in einem kleineren Rahmen betreiben lässt.
Die genannte Aufgabe wird anhand eines Verfahrens der eingangs genannten Gattung gelöst, welches im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definiert ist.
Die genannte Aufgabe wird auch anhand einer Einrichtung gelöst, welche im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 3 definiert ist.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der einzigen Zeichnung näher beschrieben.
Die vorliegende Einrichtung weist eine Speichergruppe 5 und eine Arbeitgruppe 20 auf. Die Speichergruppe 5 enthält eine Quelle 1 primärer elektrischer Energie. Diese primäre Quelle 1 ist derart ausgeführt, dass sie eine Energie in die primäre elektrische Energie umwandelt, welche diese Quelle 1 einem fremden Energieträger entnommen hat. Der Träger dieser fremden Energie können die Sonnenstrahlen oder Wind sein.
Bei der hier beschriebenen Ausführung der vorliegenden Einrichtung umfasst die Speichergruppe 5 einen Solarkollektor 1, welcher die Energie der Sonnenstrahlen, die hier als die fremde Energie gilt, in die primäre elektrische Energie umwandelt. Der Solarkollektor 1 kann aus Solarplatten zusammengesetzt sein, die in der üblichen Technologie ausgeführt sind. Der Solarkollektor 1 kann eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom liefern. Diese primäre elektrische Energie steht an den Austrittsklemmen 2 und 3 des Sonnenkollektors 1 zur Verfügung. Der Kollektor 1 kann beispielsweise auf dem Dach eines Gebäudes (nicht dargestellt) oder im Gelände usw. angeordnet sein. Der Solarkollektor 1 kann stationär ausgeführt sein. Oder seine Platten können so ausgeführt sein, dass sie die Bahn der Sonne derart verfolgen, dass ihre wirksame Oberfläche während des Sonnescheins zu den Sonnenstrahlen möglichst ständig rechtwinklig steht.
Die Speichergruppe 5 der vorliegenden Einrichtung umfasst ferner einen Apparat 10, welcher zur Spaltung beispielsweise von Wasser in seine Komponenten Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 ausgeführt ist. Eine der allgemein bekannten Ausführungen eines solchen Apparats 10 trägt den Namen Hoffmanscher Zersetzungsapparat. Dieser Apparat 10 weist einen praktisch U-förmigen Grundkörper auf, an dessen Mitte eine Wasserzuleitung 9 angeschlossen ist. Durch die Wand des jeweiligen Schenkels dieses Apparats 10 ist je eine Elektrode 11 bzw. 12 hindurchgeführt. Diese Elektroden 11 und 12 sind im unteren Bereich der U-Schenkel angeordnet. An die erste dieser Elektroden 11 ist die Minus-Klemme 2 des Solarkollektors 1 angeschlossen. An die zweite dieser Elektroden 12 ist die Plus-Klemme 3 des Solarkollektors 1 angeschlossen.
Unter der Einwirkung des durch den Solarkollektor 1 gelieferten Gleichstromes wird das sich im Apparat 10 befindliche Wasser in seine Komponenten H2 und O2 zersetzt. Während diesem Zersetzungsvorgang wird eine Menge von Wasserstoff H2 erzeugt, welche zweimal so gross ist wie die Menge des zugleich erzeugten Sauerstoffs O2. Der Wasserstoff wird in jenem Schenkel des Apparats 10 gesammelt, welcher an die Minus – Klemme 2 des Solarkollektors 1 angeschlossen ist. Der Sauerstoff wird in jenem Schenkel des Apparats 10 gesammelt, welcher an die Plus – Klemme 3 des Solarkollektors 1 angeschlossen ist. Die Zersetzung von Wasser beginnt selbsttätig zu laufen, sobald die Sonne eine dazu ausreichende Menge an fremder Energie liefert. Deswegen bedarf es keiner besonderen Vorrichtung zur Steuerung der Arbeit des Zersetzungsapparats 10.
Vorteilhaft ist es auch, dass der Sonnenkollektor 1 eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom liefert, welche der Zersetzungsapparat 10 für seine Funktion benötigt. Deswegen können die Austrittsklemmen 2 und 3 des Sonnenkollektors 1 an die Elektroden 11 und 12 des Zersetzungsapparats 10 direkt angeschlossen sein. Es ist zweckdienlich, dass die einzelnen Platten des Sonnenkollektors 1 untereinander derart zusammengeschaltet sind, dass der Sonnenkollektor 1 eine so hohe Gleichspannung während dem Sonnenschein an die Elektroden 11 und 12 des Zersetzungsapparats 10 anlegt, dass dieser Apparat 10 Wasser zersetzen kann.
Man kann den im Zersetzungsapparat 10 gewonnenen Sauerstoff O2 durch eine Auslassleitung 7 ins Freie entweichen lassen. Oder dieses „Abfallprodukt“ Sauerstoff O2 des vorliegenden Verfahrens kann in einer zweckmässigen Weise weiter genutzt werden.
Die Speichergruppe 5 umfasst auch einen Behälter 15, welcher als Vorrats- bzw. Speicherbehälter für den im Zersetzungsapparat 10 erzeugten Wasserstoff dient. Dieser Vorratsbehälter 15 kann im Erdreich versenkt sein. Das Fassungsvolumen und somit auch die Abmessungen dieses Vorratsbehälters 15 sind eigentlich nur durch die lokalen Gegebenheiten beschränkt. Zwischen dem Speicherbehälter 15 und dem Zersetzungsapparat 10 erstreckt sich eine Verbindungsleistung 17, durch die der im Zersetzungsapparat 10 erzeugte Wasserstoff in den Speicherbehälter 15 gelangen kann.
Um das Volumen des Vorratsbehälters 15 möglichst effektiv ausnützen zu können, soll Wasserstoff im Vorratsbehälter 15 unter Druck stehen. Zu diesem Zweck ist ein Kompressor 16 vorgesehen, welcher in der Verbindungsleitung 17 zwischengeschaltet ist. Der Kompressor 16 ist über eine Welle 14 an einen Antriebsmotor 13 angeschlossen. Es kann sich um einen elektrischen Motor 13 handeln. Zum Betrieb dieses Motors 13 benötigt man elektrische Energie, welche zweckmässigerweise aus einem Akkumulator 18 stammen kann. Dieser Akkumulator 18 kann durch den Sonnenkollektor 1 über eine separate Leitung 8 während dem jeweiligen Arbeitszyklus dieser Einrichtung geladen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Antriebsmotor 13 mit Hilfe von Energie betrieben werden, welche dem öffentlichen Energieversorgungsnetz entnommen wurde (nicht dargestellt). Im Prinzip könnte dieser Antriebsmotor jedoch auch ein Verbrennungsmotor sein, welcher mit Wasserstoff betrieben werden kann. Dieser Wasserstoff kann dem Vorratsbehälter 15 entnommen werden (nicht dargestellt). Unter Umständen kann der Kompressor 16 auch als ein blosses Gebläse ausgeführt sein.
Ein Rückschlagventil 12 ist zwischen dem Kompressor 16 und dem Speicherbehälter 15 geschaltet ist. Dieses Rückschlagventil 12 soll den Wasserstofffluss vom Speicherbehälter 15 zum Zersetzungsapparat 10 verhindern.
Die Arbeitgruppe 20 weist einen Verbrennungsmotor 21 auf, welcher mit Wasserstoff betrieben werden kann. Die Wasserstofftechnologie ist heutzutage bereits so weit entwickelt, dass man solche Motoren sogar in die Automobile einbaut. Der Verbrennungsmotor 21 erhält den Wasserstoff, welchen er zu seinem Betrieb benötigt, über eine Verbindungsleitung 25 aus dem Speicherbehälter 15. Die Arbeitgruppe 20 weist ferner einen Generator 22 elektrischer Energie auf, dessen Antriebswelle 23 mit der Welle des Verbrennungsmotors 21 gekoppelt ist. Die durch diesen Generator 22 erzeugte sekundäre elektrische Energie kann lokal genützt oder/und sie kann ins öffentliche Energieversorgungsnetz 33 gespeist werden.
Eine Steuereinheit 30 ist in die Leitung 25 zwischengeschaltet, welche sich zwischen der Speichergruppe 5 und der Arbeitsgruppe 20 erstreckt. Diese Leitung verbindet den Vorratsbehälter 15 mit dem Verbrennungsmotor 21. Die Steuereinheit 30 enthält ein Ventil (nicht dargestellt), welches in der Verbindungsleitung 25 so eingeschaltet ist, dass es den Fluss vom Wasserstoff vom Vorratsbehälter 15 zum Verbrennungsmotor 21 gesteuert erlauben oder unterbinden kann. Die Steuereinheit 30 ist ausserdem auch so eingerichtet, dass sie den Verbrennungsmotor 21 in Betrieb nehmen oder ausser Betrieb setzen kann.
Die Steuereinheit 30 weist einen ersten Eingang 31 auf, welcher Signale von einer lichtempfindlichen Vorrichtung (nicht dargestellt), beispielsweise von einer Lichtschranke empfangen kann. Diese lichtempfindliche Vorrichtung kann die Steuervorrichtung 30 dazu veranlassen, dass diese beim Eintritt der Dunkelheit die Arbeitsgruppe 20 in Betrieb nimmt. Dies bedeutet, dass das Ventil in der Verbindungsleitung 25 durch die Steuervorrichtung 30 geöffnet und der Verbrennungsmotor 21 gestartet wird. Unter solchen Umständen kann der Generator 22 sekundäre elektrische Energie liefern.
Die Arbeitgruppe 20 ist auch so ausgeführt, dass sie Steuersignale aus der Zentrale des Betreibers des öffentlichen Energieversorgungsnetzes empfangen kann. Zu diesem Zweck weist die Arbeitsgruppe 20 ein Filter 35 auf. Dieses Filter 35 ist einerseits an die Leitungen 33 des öffentlichen Energieversorgungsnetzes angeschlossen. Andererseits ist dieses Filter 35 an einen zweiten Eingang 32 der Steuervorrichtung 30 angeschlossen. Das Filter 35 lässt aus den Leitern 33 des Versorgungsnetzes nur die Steuersignale aus der Zentrale des Betreibers des öffentlichen Energieversorgungsnetzes zur Steuervorrichtung 30 durch. So kann der Betreiber des öffentlichen Energieversorgungsnetzes die vorliegende Einrichtung jederzeit in Betrieb nehmen, wenn er elektrische Energie benötigt.
Die Steuereinheit 30 macht es unter anderem auch möglich, dass die Speichergruppe 5 und die Arbeitsgruppe 20 voneinander völlig unabhängig arbeiten können. Die Speichergruppe 5 arbeitet und produziert Wasserstoff, während es in der Umgebung des Sonnenkollektors 1 hell ist. Während solchen Zeitspannen wird Wasserstoff im Vorratsbehälter 15 gehortet. Während diesen Zeitspannen kann die Arbeitsgruppe 20 ruhen. Diese Arbeitsgruppe 20 ihrerseits kann jedoch jederzeit in Betrieb genommen werden, beispielsweise durch die Steuersignale aus der Zentrale des Betreibers des öffentlichen Energieversorgungsnetzes. Somit kann die Arbeitgruppe 20 unter dem Verbrauch vom im Vorratsbehälter 15 gelagerten Wasserstoff sekundäre elektrische Energie erzeugen, und zwar zeitlich unabhängig davon, wann die Speichergruppe 5 fremde Energie in die primäre elektrische Energie umwandeln kann. Dies bedeutet, dass die vorliegende Einrichtung sekundäre elektrische Energie auch dann erzeugen kann, wenn es dunkel ist. Wenn Wind als fremder Energieträger ausgenützt wird, dann kann die vorliegende Einrichtung sekundäre elektrische Energie auch dann erzeugen, wenn es windstill ist.
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe Wasserstoff von der Speichergruppe 5 zur entfernt liegenden Arbeitsgruppe 20 transportiert werden kann. Diese Transportvorrichtung kann ein Tanklastwagen oder ein Schiff sein. Dies ermöglicht, Wasserstoff in einer Gegend herzustellen, wo es viel Sonnenschein gibt. Wasserstoff kann dann in der Arbeitsgruppe 20 verwendet werden, welche sich in einer Gegend befindet, wo es wenig Sonnenschein gibt.
Der enorme Vorteil des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Einrichtung besteht darin, dass es sowohl die Sonnenenergie bzw. die Windenergie als auch Wasser, welche für den Betrieb der vorliegenden Einrichtung erforderlich sind, zumindest in unseren Breitengraden in praktisch unbegrenzten Mengen und zudem noch praktisch gratis zur Verfügung stehen. Unter solchen Umständen dürfte der Wirkungsgrad dieser Einrichtung, zumindest in dieser Anfangsphase der Entwicklung dieser Einrichtung, wohl keine entscheidende Rolle spielen. Entscheidend dürfte es sein, dass sich aus den genannten fremden Energieträgern eine bestimmte Menge der sekundären elektrischen Energie überhaupt gewinnen lässt.
Wasserstoff kann durch die Zersetzung auch anderer Stoffe als durch die Zersetzung von Wasser gewonnen werden. In der Industrie gibt es auch andere Ausführungen des Apparats zur Gewinnung von Wasserstoff. Diese weiteren Ausführungen dieser Bestandteile der vorliegenden Einrichtung fallen ebenfalls in den Geltungsbereich der Begriffe, mit welchen diese Bestandteile hier benannt sind.
Das vorliegende Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Wasser unter der Ausnützung einer fremden Energie in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, dass Wasserstoff gelagert wird und dass Wasserstoff im Bedarfsfall als Antriebsmittel einer Arbeitsgruppe verwendet wird, welche elektrische Energie erzeugen kann.
Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff von einem Stoff abgespalten wird, dass Wasserstoff gelagert wird und dass der gelagerte Wasserstoff im Bedarfsfall als Antriebsmittel zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff durch Zersetzung von Wasser gewonnen wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichergruppe (5) und eine Arbeitsgruppe (20) vorgesehen sind und dass eine Steuervorrichtung (30) zwischen diesen Gruppen (5; 20) zwischengeschaltet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichergruppe (5) eine Quelle (1) primärer elektrischer Energie enthält, dass diese primäre Quelle (1) derart ausgeführt ist, dass sie fremde Energie in die primäre elektrische Energie umwandeln kann, nachdem diese Quelle (1) die fremde Energie einem anderen Energieträger entnommen hat, dass die Speichergruppe (5) ferner einen Apparat (10) zur Zersetzung eines Stoffes in seine Komponenten enthält, um Wasserstoff zu gewinnen, dass der Ausgang aus der primären Energiequelle (1) an den Eingang des Zersetzungsapparats (10) angeschlossen ist, dass die Speichergruppe (5) auch einen Behälter (15) zur Aufnahme und Speicherung von Wasserstoff enthält und dass der Einlass dieses Speicherbehälters (15) an den Austritt von Wasserstoff aus dem Zersetzungsapparat (10) angeschlossen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zersetzungsapparat (10) derart ausgeführt ist, dass er Wasser in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff spalten kann.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor (16) zwischen dem Austritt von Wasserstoff aus dem Zersetzungsapparat (10) und dem Speichertank (15) geschaltet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil (12) zwischen dem Kompressor (16) und dem Speicherbehälter (15) geschaltet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsgruppe (20) einen durch Wasserstoff antreibbaren Motor (21) aufweist, welcher an den Austritt (25) von Wasserstoff aus dem Speicherbehälter (15) angeschlossen ist, dass die Arbeitsgruppe (20) ferner einen Generator (22) elektrischer Energie aufweist und dass die Welle dieses Generators (22) mit der Welle des Antriebsmotors (21) gekoppelt ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsgruppe (20) ein Filter (35) aufweist, dass dieses Filter (35) einerseits an einen Eingang (32) der Steuervorrichtung (30) angeschlossen ist, dass das Filter (35) andererseits an die Leiter (33) des öffentlichen Energieversorgungsnetzes angeschlossen ist, und dass das Filter (35) derart ausgeführt ist, dass es aus den Leitern (33) des Versorgungsnetzes nur Steuersignale aus der Zentrale des Betreibers des öffentlichen Energieversorgungsnetzes zur Steuervorrichtung (30) durchlässt.
10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle des Kompressors (16) mit der Welle eines Motors (13) gekoppelt ist und dass dieser Motor (13) an den Solarkollektor (1) als Quelle der Antriebsenergie für diesen Motor (13) angeschlossen sein kann.
11. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe Wasserstoff von der Speichergruppe (5) zur entfernt liegenden Arbeitsgruppe (20) transportiert werden kann.
12. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (1) der primären Energie ein Solarkollektor oder ein Windkraftwerk ist.
Zusammenfassung
Das vorliegende Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Wasser unter der Ausnützung einer fremden Energie in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, dass Wasserstoff gelagert wird und dass Wasserstoff im Bedarfsfall als Antriebsmittel einer Arbeitsgruppe verwendet wird, welche elektrische Energie erzeugen kann. Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Speichergruppe (5) und eine Arbeitsgruppe (20) aufweist und dass eine Steuervorrichtung (30) zwischen diesen Gruppen (5; 20) zwischengeschaltet ist. Die Speichergruppe (5) und die Arbeitsgruppe (20) können voneinander unabhängig arbeiten.