DE102012009704A1 - Electricity generator has heater, discharge vessel and rectenna that are connected with three-port circulator so that microwaves from heater is passed to rectenna so as to generate electrical energy - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die direkte Umwandlung von optischer Strahlung in elektrische Energie ohne Gebrauch von konventionellen Solarzellen. Es wird ein Generator offenbart, in dem Lichtstrahlung und auch benachbarte optische Strahlung wie Ultraviolett und Infrarot, wie z. B. (ultra-)hochkonzentrierte solare Strahlung oder auch (monochromatische) Laserstrahlung, direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Die optische Strahlung wird mit einem eigens zu diesem Zweck generierten Plasma absorbiert.The invention relates to the direct conversion of optical radiation into electrical energy without the use of conventional solar cells. It discloses a generator in which light radiation and also adjacent optical radiation such as ultraviolet and infrared, such. B. (ultra) highly concentrated solar radiation or (monochromatic) laser radiation is converted directly into electrical energy. The optical radiation is absorbed by a plasma generated specifically for this purpose.
Es sind Vorrichtungen und Verfahren mit diesem Konzept bereits in
- 1.) Ein elektrotechnischer Erzeuger eines weitestgehend optisch-dichten Plasmas, in Vereinfachung hier als „Heizer” bezeichnet,
- 2.) das Plasmagefäß, was auch Entladungsgefäß genannt wird, welches das Plasma behaust und seine wiederum abgegebene optische Strahlung bestenfalls an den Wänden des Gefäßes zurück in das Plasma reflektiert und
- 3.) eine elektrotechnische Einheit zur Entnahme von elektrischer Leistung aus dem Plasma, zur Vereinfachung hier „Endstufe” genannt.
- 1.) An electrotechnical generator of a largely optically dense plasma, referred to in simplification here as "heater",
- 2.) the plasma vessel, which is also called discharge vessel, which houses the plasma and its in turn emitted optical radiation at best on the walls of the vessel back into the plasma and reflected
- 3.) an electrotechnical unit for the removal of electrical power from the plasma, called here for simplicity "power amplifier".
Die Zeichnung 1 zeigt einen Konverter, genannt Plasmazelle, nach Stand der Technik gemäß
„Eine konventionelle Gleichstrom-Bogen-Entladung wird über einen Vorwiderstand R1 durch eine Quelle mit der Spannung U1 versorgt. Der Bogen
"A conventional DC arc discharge is supplied via a series resistor R 1 by a source with the voltage U 1 . The
Die Spannungsquelle mit einem zusätzlichen Widerstand in Reihe kann als Einheit zum Heizen des Plasmas betrachtet und als „Heizer” bezeichnet werden. Das Entladungsgefäß behaust das Plasma der Bogenentladung, was zwischen zwei Elektroden brennt. Zwischen zwei weiteren Elektroden brennt ein sekundärer Entladungsbogen, der mit dem ersten Bogen im unmittelbaren Austausch von Ladungsträgern steht. Dieser Bereich der beiden Bögen wird durch äußere optische Strahlung zusätzlich geheizt und kann auch zusätzlich unter magnetischer Beeinflussung stehen. Der sekundäre Bogen dient der Entnahme der elektrischen Energie. Die elektrotechnische Einheit zur Energieentnahme mit dem zweiten Paar Elektroden kann als die „Endstufe” betrachtet werden.The voltage source with additional resistance in series may be considered as a unit for heating the plasma and referred to as a "heater". The discharge vessel houses the plasma of the arc discharge, which burns between two electrodes. Between two further electrodes burns a secondary discharge arc, which stands with the first sheet in the immediate exchange of charge carriers. This area of the two arches is additionally heated by external optical radiation and can also be under magnetic influence. The secondary arc is used to remove the electrical energy. The electrotechnical unit for energy extraction with the second pair of electrodes can be considered as the "final stage".
Es sind verschiedene Varianten für die Plasmaerzeugung bekannt, die im Konverter eingesetzt werden können. Die beiden Komponenten Heizer und Entladungsgefäß können der Bauart von Plasmalampen nachgebaut werden, weil ähnliche Anforderungen für beide Systeme gelten. Die neue Verwendung einer Plasmalampe als Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Konverters erscheint zweckmäßig, auch wenn die Zielsetzung zu unterschiedlichen Ausgestaltungen führt. Zum Beispiel führt die Optimierung der Transmissionseigenschaften des Entladungsgefäßes auf die Minimierung des Fensters für den Strahlungseintritt und die bestmögliche Reflexion der optischen Strahlung an den Wänden des Gefäßes. So findet die ursprüngliche Plasmalampe in neuer Ausgestaltung eine neue Verwendung.There are various variants for plasma generation known that can be used in the converter. The two components heater and discharge vessel can be modeled on the design of plasma lamps, because similar requirements apply to both systems. The new use of a plasma lamp as a starting point for the development of a converter seems expedient, even if the objective leads to different configurations. For example, optimizing the transmission characteristics of the discharge vessel results in minimizing the radiation entrance window and the best possible reflection of the optical radiation on the walls of the vessel. Thus, the original plasma lamp in a new design, a new use.
Es sind eine Xenon-Kurzbogenlampe und auch die elektrodenlose Mikrowellen-gespeiste Lampe als derartige Ausgangspunkte für Ausführungsbeispiele in
So ergibt sich für sämtliche Ausführungsbeispiele des Plasma-basierten Konverters, dass das Entladungsgefäß mit innenliegenden Elektroden ausgestattet sein muss. Dies ist für die bisher bekannte Funktionsweise zwingend erforderlich und ist besonders nachteilig. Da diese Elektroden stets den Umgebungsbedingungen des Plasmas ausgesetzt sind, führt die unvermeidliche Elektrodenerosion zu Funktionsschwierigkeiten. So ändern sich die geometrischen Verhältnisse der Elektroden und die Kontamination der Füllung durch Elektrodenmaterial (typicherweise Wolfram und seine Legierungen) ändern die Plasmaeigenschaft sowie die Ablagerung des Materials auf dem Fenster den Strahlungsdurchgang hindern. Die Lebensdauer eines Plasma-Konverters ist nicht bekannt, jedoch kann die typische Lebensdauer von Plasmastrahlungsquellen dafür Anhaltspunkte liefern. Elektrodenlose Lampen können gegenüber Lampen mit Elektroden typischerweise das Zehnfache an Lebensdauer erreichen, womit die Elektroden als wichtige Schwachstelle identifiziert ist.Thus, it results for all embodiments of the plasma-based converter that the discharge vessel must be equipped with internal electrodes. This is absolutely necessary for the previously known mode of operation and is particularly disadvantageous. Since these electrodes are always exposed to the ambient conditions of the plasma, the inevitable electrode erosion leads to functional difficulties. That's how they change geometric conditions of the electrodes and the contamination of the filling by electrode material (typically tungsten and its alloys) change the plasma property as well as the deposition of the material on the window prevent the radiation passage. The lifetime of a plasma converter is not known, but the typical lifetime of plasma sources can provide evidence for this. Electrodeless lamps can typically reach ten times the life of lamps with electrodes, identifying the electrodes as an important vulnerability.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Generator und seine Funktionsweise zu finden, die ein elektrodenloses Entladungsgefäß besitzt und damit der Heizer und die Endstufe allein elektromagnetisch mit dem Plasma im Entladungsgefäß wechselwirken.Object of this invention is to find a generator and its operation, which has an electrodeless discharge vessel and thus the heater and the final stage alone interact electromagnetically with the plasma in the discharge vessel.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Generator gelöst wie er schematisch in
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Generator gelöst, dessen wesentliche drei Komponenten, (
- 1.) die Mikrowellenstrahlung des Heizers (nach Stand der Technik durch einen Magnetron erzeugt), in den Zirkulator eingebracht wird,
- 2.) am zweiten Kanal des Zirkulators, richtungsgemäß, das Entladungsgefäß sitzt und die Mikrowellenstrahlung des Heizers das Plasma nach Zündung im Entladungsgefäß aufrecht hält und,
- 3.) die vom Plasma im besagten zweiten Kanal zurückreflektierte Mikrowellenstrahlung richtungsgemäß im Zirkulator an dem dritten Kanal zur Endstufe weitergeleitet wird, die im Wesentlichen mittels einer Rectenna (rectyifying antenna) diese Mikrowellen-Strahlung in elektrotechnisch leicht verwertbare Gleichspannung oder vergleichsweise niederfrequente elektrische Spannung wandelt (Endstufe).
- 1.) the microwave radiation of the heater (produced by a magnetron in the prior art) is introduced into the circulator,
- 2.) on the second channel of the circulator, according to the direction, the discharge vessel is seated and the microwave radiation of the heater keeps the plasma upright after ignition in the discharge vessel and,
- 3.) the reflected back from the plasma in the said second channel microwave radiation is forwarded according to the direction of the circulator on the third channel to the output stage, which converts substantially by means of a Rectenna (rectifying antenna) this microwave radiation in electrotechnically easily usable DC voltage or comparatively low-frequency electrical voltage ( output stage).
Der Energiestrom im zweiten Kanal des Zirkulators ist bi-direktional, d. h. es wird in ihm sowohl die Mikrowellenstrahlung des Magnetron (ursprünglich aus dem ersten Kanal) zum Entladungsgefäß am zweiten Kanal geschickt als auch die Mikrowellenstrahlung in Reflexion aus dem Entladungsgefäß in den Zirkulator eingeleitet. Die Bilanz dieser Energieströmung ist entscheidend für die Funktionsweise und die Effizienz des Konverters.The energy flow in the second channel of the circulator is bi-directional, i. H. It is in him both the microwave radiation of the magnetron (originally from the first channel) sent to the discharge vessel on the second channel and the microwave radiation introduced in reflection from the discharge vessel in the circulator. The balance of this energy flow is crucial to the operation and efficiency of the converter.
Solange das Plasma im Entladungsgefäß nach Zündung lediglich geheizt wird, also lediglich dem Funktionsprinzip einer Mikrowellenlampe folgt, dient der Zirkulator lediglich dazu, den Heizer vor zurückreflektierter Mikrowellenstrahlung zu schützen. Am dritten Kanal liegt eine elektrotechnisch angepasste Rectenna als Last, d. h. eine als Absorber dienende Antenne für Mikrowellenstrahlung, welche die reflektierte Strahlung aufnimmt. Die Last ist im Falle des Betreibens eines Plasmas in selbständiger Entladung von besonderer Bedeutung. Ist das mikrowellengeheizte Plasma in selbständiger Entladung (Bogenentladung), bzw. in einem ähnlichen lawinenartigen Entladungszustand, bildet dieses Plasma einen negativen differentiellen Widerstand aus (negative differential restistance, NDR). Dieser bekannte Sachverhalt bedeutet, dass Entladungslampen mit NDR einen Vorwiderstand bzw. im Wechselspannungsbetrieb eine angepasst Last (auch Ballast genannt) benötigen. In der erfindungsgemäßen elektrotechnischen Anordnung mit Zirkulator hat der NDR des Plasmas einen entdämfenden Charakter, d. h. die ursprüngliche Mikrowellenstrahlung wird aufgrund des NDR verstärkt (
- (1) elektrotechnischer Heizer
1 (Mikrowellentechnik), - (2)
Plasma im Entladungsgefäß 2 und - (3) Rectenna (als Teil der Endstufe
3 ).
- (1) electrotechnical heater
1 (Microwave Technology), - (2) Plasma in the
discharge vessel 2 and - (3) Rectenna (as part of the final stage
3 ).
Damit dieser Verstärkungsprozess im Sinne der Erfindung funktioniert, ist eine konstruktive Interferenz der einlaufenden Mikrowellenstrahlung in das Plasma zusammen mit der reflektierten Mikrowellenstrahlung aus dem Plasma notwendig. Zweckmäßig muss für eine optimale konstruktive Interferenz eine Abstimmung zwischen einlaufender und reflektierter Welle gesorgt werden. Der Wellenleiter und das Entladungsgefäß müssen auf diese konstruktive Interferenz optimal ausgebildet werden. So ist das Entladungsgefäß zweckmäßig mit elektrisch leitender Ummantelung ausgestattet, z. B. in Form eines Metallgitters, um den Austritt von Mikrowellenstrahlung aus dem Entladungsgefäß zu minimieren. Sämtliche Teile des Konverters, die für den Mikrowellentransport verantwortlich sind, genügen den entsprechenden geometrischen und materialspezifischen Anforderungen. Als wichtige Abstimmung für die gegenläufigen Mikrowellen im zweiten Kanal dienen im Wesentlichen
- a) die Auswahl der Frequenz der Mikrowellen, typischerweise
im Bereich von 100KHz bis 10 GHz und vorzugsweise 2,45 GHz, - b) die Modulation der Magnetron-Frequenz, wie sie z. B. mittels
US 4161459 - c) die Möglichkeiten der Feinabstimmung durch verschiebbare Wandteile im Wellenleiter vor und hinter dem Entladungsgefäß,
- d) die Auswahl der Winkel der drei Ports des Zirkulators zueinander, um die Phasenverschiebungen zweckmäßig zu verschieben (, was den Neubau des Zirkulators oder zumindest den Eingriff in den Zirkulator bedeutet).
- a) the selection of the frequency of the microwaves, typically in the range of 100 KHz to 10 GHz and preferably 2.45 GHz,
- b) the modulation of the magnetron frequency, as z. B. by means
US 4161459 - c) the possibilities of fine tuning by displaceable wall parts in the waveguide in front of and behind the discharge vessel,
- d) the selection of the angles of the three ports of the circulator to one another in order to shift the phase shifts appropriately (which means the new circulator or at least the intervention in the circulator).
So erhält die Rectenna am dritten Kanal eine signifikante Energiemenge, die absorbiert werden muss und zweckmäßig absorbiert werden soll. Im Fall des ausschließlichen Betreibens eines Plasmas ohne Fremdbestrahlung hat die Rectenna als elektrotechnische Last lediglich einen stabilisierenden Charakter für das System. Dies ist eine typische Konfiguration im Lampenbetrieb und die durch die Last verlorene (dissipierte) Energiemenge ist von untergeordnetem Interesse. Aber in der hiesigen Anordnung im Konverter wird nun erfindungsgemäß erreicht, dass die zusätzlich in das Plasmaoptisch eingestrahlte Energie in Form von Mikrowellenstrahlung das Entladungsgefäß verlassen kann und mittels der Rectenna diese Strahlung in der Endstufe für einen elektrischen Verbraucher gewandelt wird. Der Konverter generiert effizient elektrischen Strom aus eingestrahlter optischer Leistung, sobald im stationären Zustand der Endstufe mehr elektrische Leistung entnommen werden kann, als für den Heizer aufgewandt wird. Dies ist durch die oben erklärte Verstärker-Funktion gegeben. Durch die hohe Temperatur des Absorbers, d. h. des Plasmas, können besonders hohe Wirkungsgrade für diesen Prozess der Wandlung Energiewandlung in Aussicht gestellt werden.Thus, the rectenna at the third channel receives a significant amount of energy, which must be absorbed and appropriately absorbed. In the case of the exclusive operation of a plasma without external irradiation, the rectenna as an electrotechnical load merely has a stabilizing character for the system. This is a typical configuration in lamp operation and the amount of energy lost (dissipated) by the load is of minor interest. But in the local arrangement in the converter is now achieved according to the invention that the additionally radiated into the plasma optical energy in the form of microwave radiation can leave the discharge vessel and by means of Rectenna this radiation is converted in the final stage for an electrical load. The converter efficiently generates electrical current from radiated optical power, as soon as the stationary state of the output stage more electrical power can be removed than is expended for the heater. This is given by the amplifier function explained above. Due to the high temperature of the absorber, d. H. of plasma, particularly high efficiencies can be envisaged for this process of conversion energy conversion.
Die Zeichnung 2 (
Das Ausführungsbeispiel in
(i) Dolan J T, Ury M G and Wood C H 1993 Lamp including sulfur
(ii)
(iii)
(iv)
(i) Dolan JT, Ury MG and Wood CH 1993 Lamp including sulfur
(Ii)
(Iii)
(Iv)
Die Schwefellampe mit ihrer typischen Bauart und ihren typischen Betriebsbedingungen erfüllt einige Voraussetzungen, um sie als Teil des erfindungsgemäßen Konverters weiterzuentwickeln:
- • Die Leistungscharakteristik der Lampe aus o. g. Schrift (ii) lässt den Schluss zu, dass bei einem Druck über 5,5 bar in der Schwefellampe im Betrieb ein negativer differentieller Widerstand ausgebildet wird. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung des Plasmas im erfindungsgemäßen Konverter.
- • Das Spektrum der Schwefellampe bildet wesentliche Teile des solaren Spektrums nach, auch wenn es sich auf das Sichtbare weitgehend beschränkt.
- • Das Plasma der Schwefellampe ist optisch dicht
im Bereich von 200 nm bis 400 nm. Dies ist eine zentrale Voraussetzung für das Funktionsprinzip des Konverters. Wird dem Konverter (dem Entladungsgefäß) auf Basis einer Schwefellampe eine optische Strahlung dieses Spektralbereichs zugeführt, wird diese vollständig absorbiert. Damit wird dieser Spektralbereich zu 100% im Plasma aufgenommen. - • Das im genannten Spektralbereich optische dichte Plasma kann durch einen Laser mit Laserstrahlung des genannten Bereichs geheizt werden. Damit ist eine Kombination aus Strahlung (Laser) und Strahlungsempfänger (Schwefelplasma) gefunden, die eine besonders hohe Effizienz des Konverters erwarten lassen können. Die kabellose Leistungsübertragung, das Powerbeaming, ist auf diesem Weg möglich.
- • Das Plasma ist optisch teilweise dicht im Bereich von 400 nm–550 nm. Damit ergibt sich die eingeschränkte Absorption von optischer Strahlung. Der spektrale Absorptionskoeffizient des Plasmas wird für diesen Spektralbereich und darüber hinaus (, weil dort optisch dünn), mittels Zugabe von weiteren inerten Stoffen, wie Xenon erhöht.
- • Die Lampe ist bereits als kommerzielles Produkt ausgereift und ihre Bestandteile versprechen auch in neuer Verwendung hohe Lebensdauern. Für einen zukünftig in der Schwefellampe verwendbaren Magnetron wird von einem Hersteller eine Lebensdauer von 40.000 Stunden angegeben. Dies war bislang das schwächste Teil in der Lebensdaueranalyse. Dadurch ist eine Lebensdauer der Schwefellampe in dieser Größenordnung zu erwarten. Auch für den Konverter sind derartig hohe Lebensdauern prinzipiell möglich.
- • Das Plasma liegt bei etwa 4000 Kelvin in Elektronen- und Ionen-Temperatur, was zwar über der optimalen Carnot-Temperatur liegt, aber trotzdem eine hohe Effizienz des Wandlungsprozess erwarten lassen darf.
- • The performance of the lamp from the above-mentioned font (ii) suggests that a negative differential resistance is formed in the sulfur lamp during operation at a pressure of more than 5.5 bar. This is an important prerequisite for the use of the plasma in the converter according to the invention.
- • The spectrum of the sulfur lamp reproduces substantial parts of the solar spectrum, although it is largely limited to the visible.
- • The plasma of the sulfur lamp is optically dense in the range of 200 nm to 400 nm. This is a central requirement for the operating principle of the converter. If the converter (the discharge vessel) is supplied with optical radiation of this spectral range based on a sulfur lamp, it is completely absorbed. Thus, this spectral range is recorded 100% in the plasma.
- • The optical dense plasma in said spectral range can be heated by a laser with laser radiation of said range become. Thus, a combination of radiation (laser) and radiation receiver (sulfur plasma) is found, which can be expected a particularly high efficiency of the converter. Wireless power transmission, power beaming, is possible in this way.
- The plasma is optically partially dense in the range of 400 nm-550 nm. This results in the limited absorption of optical radiation. The spectral absorption coefficient of the plasma is for this spectral range and beyond (because there optically thin), increased by the addition of other inert substances such as xenon.
- • The lamp is already mature as a commercial product and its components promise long lifetimes even in new use. For a future use in the sulfur lamp magnetron is given by a manufacturer a lifetime of 40,000 hours. This has been the weakest part of the lifetime analysis so far. As a result, a lifetime of the sulfur lamp is to be expected on this scale. Also for the converter such high lifetimes are possible in principle.
- • The plasma is at about 4000 Kelvin in electron and ion temperature, which is above the optimum Carnot temperature, but can still expect a high efficiency of the conversion process.
Es können bei der Neuverwendung der Lampe als Teil des Konverters vorteilhaft folgende Anforderungen fallengelassen werden und die Anforderungen an den Konverter ausgeführt werden:
- • Das Entladungsgefäß muss nicht aus Glas und vollständig durchsichtig sein. Das Entladungsgefäß kann aus einem Fenster und einem anderweitigen Gefäß zusammengesetzt werden. Dabei sind die elektrische Leitfähigkeit und die Temperaturleitfähigkeit für die Wahl und Ausgestaltung entscheidend.
- • Das Entladungsgefäß braucht nur in einem Fensterbereich einen optischen transmittierenden Lichtweg, womit die gesamte verbleibende Oberfläche des Gefäßes einen direkten Kontakt zu Kühlmitteln haben kann. Diese Kühlstoffe können Flüssigkeiten sein, um einen hohen Transport der Wärme und damit einen hohen Temperaturgradienten zu erreichen. Auf diesem Weg kann das Entladungsgefäß gekühlt werden und insbesondere kann auf eine Rotation des Entladungsgefäßes verzichtet werden, wie es im normalen Betrieb der Schwefellampe zwingend notwendig ist.
- • Das Plasma soll zweckmäßig optisch dicht sein. Das ist prinzipiell mit Druckerhöhung bei Edelgasfüllungen erreichbar, was für einen Lampenbetrieb nicht in Erwägung gezogen wird, aber für den Konverter vorteilhaft ist.
- • Die Anforderungen hinsichtlich des Lichtes im Sinne einer Lampe können fallen gelassen werden. Die Füllung des Entladungsgefäßes muss für den Konverter so gewählt werden, dass die zu wandelnde optische Strahlung optimal von der Füllung im Plasmazustand absorbiert wird. Es bietet sich an, Edelgase und Schwefel zu kombinieren.
- • The discharge vessel does not have to be made of glass and completely transparent. The discharge vessel can be composed of a window and another vessel. The electrical conductivity and the thermal conductivity are decisive for the choice and design.
- • The discharge vessel needs an optical transmitting light path only in one window area, so that the entire remaining surface of the vessel can have direct contact with coolants. These coolants can be liquids to achieve a high transport of heat and thus a high temperature gradient. In this way, the discharge vessel can be cooled and in particular can be dispensed with a rotation of the discharge vessel, as is absolutely necessary in normal operation of the sulfur lamp.
- • The plasma should be optically dense. This is in principle achievable with pressure increase at noble gas fillings, which is not considered for a lamp operation, but is advantageous for the converter.
- • The requirements for the light in the sense of a lamp can be dropped. The filling of the discharge vessel must be selected for the converter so that the optical radiation to be converted is optimally absorbed by the filling in the plasma state. It makes sense to combine noble gases and sulfur.
Das Ausführungsbeispiel in
Der Zirkulator
Die Komponenten
Die Komponenten
Es sind Entladungsgefäße mit Fenstern in vielen Varianten bekannt.There are known discharge vessels with windows in many variants.
Ein Ausführungsbeispiel für Entladungsgefäß
Die bevorzugte Füllung bei Raumtemperatur besteht aus
- • Schwefel einer Menge der Masse 5
bis 150 mg, vorzugsweise 10mg bis 20 mg bei einem Radius von 16 mm, - • 1
bis 20 bar Xenon, vorzugsweise 9 bar Xenon, dessen Druck für die Wahl der Wandstärke des Entladungsgefäßes verantwortlich ist und - • 100 mbar Argon als Zündhilfe.
- Sulfur of an amount of the mass 5 to 150 mg, preferably 10 mg to 20 mg with a radius of 16 mm,
- • 1 to 20 bar xenon, preferably 9 bar xenon, whose pressure is responsible for the choice of the wall thickness of the discharge vessel and
- • 100 mbar argon as ignition aid.
Zur Stabilisierung der selbständigen Entladung und Erhöhung des Ionisierungsgrades des Plasmas können bauliche Veränderungen am Entladungsgefäß die folgenden Effekte ausnutzen: akustische Resonanz, Wandstabilisierung, Wandkühlung, magnetische Blasung, elektromagnetische Blasung, magnetische und elektromagnetische Kompression, wie sie für Plasmalampen bekannt sind und hier eine neue Verwendung erreichen. Eine forcierte Kühlung von Teilen des Entladungsgefäßes zur Ausbildung von Temperaturgradienten nahe dem Plasma kann eine zweckmäßige Wirkung erzielen.To stabilize the autonomous discharge and increase the degree of ionization of the plasma, structural changes to the discharge vessel may exploit the following effects: acoustic resonance, wall stabilization, wall cooling, magnetic blast, electromagnetic blast, magnetic and electromagnetic compression, as known for plasma lamps, and here a new use to reach. Forced cooling of parts of the discharge vessel to form temperature gradients near the plasma can achieve a useful effect.
Zum vollständigen erfindungsgemäßen Betriebs des Konverters ist
- a) das gezündete und geheizte Plasma und
- b) die Einleitung von konzentrierter optischer Strahlung in das Entladungsgefäß mit dem Plasma notwendig. Durch die Verstärkerwirkung des Verfahrens des Konverters wird die vom Heizer aufgebrachte Leistung erhöht. Das Plasma wird sowohl vom Heizer als auch von der optischen Strahlung geheizt. Die Entnahme der Energie führt zum Abkühlen des Plasmas. Leistungszu- und -abgabe lassen sich im Hinblick auf die Effizienz durch die o. g. Einstellungen (Impedanz) bzw. baulichen Eigenschaften optimieren.
- a) the ignited and heated plasma and
- b) the introduction of concentrated optical radiation into the discharge vessel with the plasma necessary. The amplifier effect of the method of the converter increases the power applied by the heater. The plasma is heated by both the heater and the optical radiation. The removal of the energy leads to the cooling of the plasma. Power supply and output can be optimized in terms of efficiency through the above settings (impedance) or structural properties.
Der Konverter liefert eine effiziente Strahlungswandlung sobald die Bilanz von entnommener Energie über die Rectenna und aufgebrachter Energie für den Heizer positiv ist. Das Verfahren hat durch die hohe Temperatur des Absorbers eine besondere gute Aussicht, einen hohen Wirkungsgrad für die Wandlung von optischer Strahlung in Elektrizität zu erzielen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Energiekonversion und der erfindungsgemäße Konverter erlauben die die Verwendung eines elektrodenlosen Entladungsgefäßes. Damit ist die wichtigste Schwachstelle eines Plasma-basierten Konverters beseitigt. Der Konverter besitzt keine beweglichen Teile und eine etwaige Entladungsgefäßkühlung kann durch Verwendung von hoch-schmelzenden und hochwärmeleitenden Materialen wie Aluminiumoxid, Siliziumkarbid auf das Eintrittsfenster (Quarzglas) begrenzt werden. Der Konverter besitzt ausschließlich Komponenten (z. B. der Magnetron), wie sie bereits in ähnlicher Form auch in Massenprodukten zum Einsatz kommen. Deshalb kann bereits abgeschätzt werden, dass mit passablem Wirkungsgrad ein hohes Kostenreduktionspotential im Vergleich zur konventionellen Konzentrator-Photovoltaik (CPV) gehoben werden kann. Insbesondere ist in der konkurrierenden Technologie der CPV der kostenintensive Aufwand für die komplizierte Herstellung von Mehrfach-Solarzellen zu nennen.The converter provides efficient radiation conversion once the balance of extracted energy over the rectenna and applied energy to the heater is positive. Due to the high temperature of the absorber, the process has a particularly good chance of achieving high efficiency for the conversion of optical radiation into electricity. The inventive method for energy conversion and the converter according to the invention allow the use of an electrodeless discharge vessel. This removes the most important weakness of a plasma-based converter. The converter has no moving parts and any discharge vessel cooling can be limited to the entrance window (quartz glass) by using high melting and high thermal conductivity materials such as alumina, silicon carbide. The converter has only components (eg the magnetron), as they are already used in similar form in mass products. Therefore, it can already be estimated that with passable efficiency a high cost reduction potential can be raised compared to conventional concentrator photovoltaics (CPV). In particular, in the competing technology of CPV is the costly effort for the complicated production of multiple solar cells to call.
Auch ist die Lebensdauer des Konverters wie oben erklärt von konkurrenzfähiger Größe. Es werden keine Gefahrenstoffe in dem Konverter verwendet, was ein besonders einfaches und effizientes Recycling ermöglicht. Im Betrieb des Konverters sind zwei Gefahrenstellen durch bekannte bauliche Maßnahmen zu eliminieren: Es ist ein engmaschiger Faraday-Käfig notwendig, um den Austritt von Mikrowellen in die Umwelt zu unterbinden. Im Vergleich zu gewöhnlichen Lampen ist dieses Problem noch effizienter lösbar, weil das Strahlungseintrittsfenster die einzig kritische Stelle ist, das auch aus konzeptionellen Gründen zu minimieren ist. Die zweite Gefahr liegt in der prinzipiellen Explosionsgefahr des Entladungsgefäßes, was bereits für sämtliche kommerziellen Hochdruckentladungslampen berücksichtigt ist. So sind die Gefährdungen von Mensch und Umwelt durch den Konverter mit und nach seinem Lebenszyklus besonders gering.Also, the life of the converter is of a competitive size as explained above. There are no hazardous substances used in the converter, which allows a particularly simple and efficient recycling. In the operation of the converter, two hazards are to be eliminated by known structural measures: It is a close-meshed Faraday cage necessary to prevent the escape of microwaves into the environment. Compared to ordinary lamps, this problem can be solved even more efficiently because the radiation entrance window is the only critical point that has to be minimized for conceptual reasons. The second danger lies in the fundamental risk of explosion of the discharge vessel, which is already taken into account for all commercial high-pressure discharge lamps. Thus, the hazards of humans and the environment through the converter with and after its life cycle are particularly low.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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