Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt und Energieumformer zur Durchführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elek trische Energie und umgekehrt, sowie einen Energie umformer zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist seit langem erkannt worden, dass bei der gegenwärtigen Verbrauchsgeschwindigkeit übliche Brennstoffe als Energiequellen in einer verhältnis- mässig kurzen Zeit erschöpft sein werden. Die Ent wicklung von Kernenergiequellen hat das Problem etwas gemildert, aber trotzdem werden Anstrengun gen unternommen, um Energiequellen zu verwenden, die bisher ausser acht gelassen wurden oder infolge des Fehlens geeigneter Einrichtungen und Verfahren zur richtigen und wirksamen Ausnützung der Quellen nicht in Frage kamen. Eine solche Energiequelle ist die Sonne.
Die ausserordentlich grosse Menge an verfügbarer Sonnenenergie wird durch die Schätzung illustriert, dass eine vierzigstündige Sonnenbestrah lung der Erde gleich ist der Gesamtenergie der Koh len-, Öl- und Gas-Reserven der Erde, und dass eine vierzigtägige Sonnenbestrahlung der Erde ungefähr den gesamten Kernenergiereserven der Erde ent spricht (P.C.Putnam, Energy in the Future, D. Van Nostrand Co., 1953). Gewisse Anwendungen der Sonnenenergie sind bereits erfolgt, indem man Re flektoren verwendete, um die Wärmeenergie zu kon zentrieren, und in letzter Zeit hat sich die Forschung und Entwicklung auf Vorrichtungen konzentriert, um Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Unter solchen Vorrichtungen findet man thermoelek trische, thermionische und photoelektrische Um former.
Die letztgenannten scheinen in der Entwick lung am weitesten vorgeschritten zu sein und haben gegenwärtig keine Konkurrenz bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Thermo elektrische und thermionische Umformer werden zur Hauptsache verfolgt zur Umwandlung von Wärme energie z. B. aus Verbrennungsenergie- und Kern energiequellen.
Praktische Umformer für die Sonnenenergie soll ten in der Lage sein, Energie mit Minimalkosten und mit einer Leistung pro Gewichtseinheit zu liefern, welche mit anderen Umformern konkurrenzfähig ist. Die abgegebene Leistung pro Gewichtseinheit ist von sehr grosser Bedeutung, und zwar hauptsächlich wo tragbare Anwendungen in Frage kommen, wie z. B. in Raumfahrzeugen.
Die vorliegende Erfindung verwendet die Unter schiede der spezifischen Wärme eines dielektrischen Energieumformerelementes bei verschiedenen Tem peraturen desselben. Der thermoelektrische, thermio- nische und photoelektrische Effekt sind durchaus. bekannt, wie dies aus der kürzlich erschienenen Lite ratur hervorgeht, und ausserdem ist ein weiterer Effekt; der sog. pyroelektrische Effekt bereits in einer Reihe von bekannten Patenten zur Sprache gekom men.
In einem dieser Patente wird Wärme einer pyroelektrischen kristallinen Substanz zugeführt, wäh rend gleichzeitig ein polarisierendes oder ionisierendes Potential an die Klemmen des Kristalls angelegt wird. Das polarisierende Potential wird aus Elementen der elektromotorischen Reihen gewonnen, welche posi tive und negative Polaritäten aufweisen und parallel zum Kristall an Punkten angeschaltet werden, welche.
die gleiche Polarität aufweisen. Somit wird beim pyroelektrischen Effekt Wärme verwendet, um ge bundene Ladungen zu befreien, welche im freien Zustand zur weiteren Verwendung in einen äusseren Kreis geleitet werden. Jedoch handelt es sich dabei lediglich um die bekannte Erscheinung der Trennung von Ladungen in pyroelektrischen Kristallen bei Zuführung von Wärme an den Kristall.
Derartige Vorrichtungen haben einen verhältnismässig kleinen Wirkungsgrad und die zur Ausnützung des pyroelek- trischen Effektes erforderliche Technik ist zu auf wendig, um tragbare Umformer zu schaffen und ein relativ hohes Leistung-Gewicht-Verhältnis zu erzie len. Ausserdem tritt der letztgenannte Effekt nur in gewissen kristallinen Festkörpern. auf, während sich die vorliegende Erfindung mit festen, flüssigen oder gasförmigen Dielektrika durchführen lässt.
Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfin dung, ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt mit Hilfe eines kapazitiven, thermodielektrischen Ele mentes anzugeben. Dieses Verfahren ist gekennzeich net durch die Zufuhr elektrischer Energie gegebener Spannung im genannten Temperaturbereich zum ge nannten Element, um dessen spezifische Wärme von einem ersten, dem ungeladenen Element entsprechen den Wert auf einen zweiten dem geladenen Element entsprechenden Wert zu ändern; durch das Einwir kenlassen einer Wärmequelle auf das genannte Ele ment, um dessen Temperatur im gegebenen Tempe raturbereich zu ändern, während sein geladener Zu stand erhalten bleibt;
durch den Entzug elektrischer Energie mit einer von der genannten gegebenen Span nung verschiedenen Spannung und im gegebenen Temperaturbereich aus dem genannten Element, um die spezifische Wärme vom zweiten Wert auf den ersten Wert zu ändern; und durch die Kühlung des genannten Elementes, um eine Änderung seiner ther mischen Energie zu erwirken, wodurch die Tempera tur des genannten Elementes im gegebenen Tempe raturbereich geändert wird und das Element im un geladenen Zustand ist.
Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung eines Energieumformers zur Durchführung des genannten Verfahrens. Dieser Umformer ist ge kennzeichnet durch mindestens ein thermodielektri- sches, kapazitives Element, das seine spezifische Wärme bei einer ohne Wärmezu- oder abfuhr erfol genden elektrischen Ladung ändert; durch ein Lade mittel zur Lieferung elektrischer Energie, welches Lademittel mit dem Element gekoppelt ist, um ihm die genannte elektrische Ladung zur Änderung der spezifischen Wärme zu vermitteln; durch Mittel für die Wärmezu- oder abfuhr zum und vom genann ten Element, um dessen thermische Eigenschaften wertmässig zu ändern;
durch eine das Element ther misch isolierende Umhüllung; durch erste und zweite Mittel, welche das Element mit der Umhüllung ther misch koppeln, bzw. mit einer äusseren Wärmesenke, zum Zwecke des Wärmeaustausches; durch Entlade mittel, die mit dem Element gekoppelt sind, um es ohne Wärmezu- oder abfuhr zu entladen; und da durch gekennzeichnet, dass das genannte Element in zyklischen Folgen mit dem Lademittel, mit dem ersten Mittel, mit dem Entlademittel und dem zweiten Mittel gekoppelt wird.
Die Anwendung des Energieumformungsverfah rens gemäss der vorliegenden Erfindung in Raum- schiffen erscheint sehr vielversprechend, da ideale Zustände für die wirksamste Verwendung im Raum vorhanden sind, und zwar deshalb, weil extrem hohe und tiefe Temperaturen sehr nahe beieinander liegen, und zwar an der Übergangsstelle von Licht zu Schat ten. Da es eine einfache Angelegenheit ist, bei einem auf der Umlaufbahn befindlichen Satelliten z.
B. eine Drehbewegung zu erzeugen, ist es möglich, einen Energieumformer dadurch zu betreiben, dass man die Elemente des Umformers abwechslungsweise der grossen Strahlungswärme der Sonne während eines Teiles des Drehzyklus und die gleichen Elemente der extremen Kälte des Aussenraumes während eines anderen Teils des Drehzyklus aussetzt, wenn sich die Elemente im Aussenschatten des Raumfahrzeuges befinden. Andere nützliche Anwendung für den er- findungsgemässen Umformer in Raumschiffen sind durchaus denkbar.
Unter diesen erscheint die Ver wendung dieser Umformer in Verbindung mit der Wärme erfolgreich, welche die Abgase der Raketen enthalten, welche Wärme nun verloren geht. Indem man derartige Umformerelemente in die Nähe der Raketenausgangsseite anordnet, ist es möglich, ver- hältnismässig hohe Spannungen zu erhalten, indem man der Reihe nach eine Anzahl von Umformerele menten erwärmt und dadurch einen Verbraucher speist, welcher nur während der ersten wenigen Mi nuten nach dem Start der Rakete arbeiten muss. Es kommen andere Anwendungen auch auf der Erde in Frage, welche sich als gleich nützlich erweisen, wie z. B. die Umformung der Verlustwärme in Kernre aktoren, Automobilmotoren oder der Abwärme von Fabriken.
Nachstehend werden mehrere Ausführungsbei spiele des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen: Die Fig. 1 eine Kurve der Dielektrizitätskonstan- ten eines Energieumformerelementes in Abhängigkeit der Temperatur bei hohen und niederen Feldstärken; die Fig. 2 eine Kurve der totalen Energie in Abhängigkeit der Temperatur für ein Energieum- formerelement im ungeladenen und geladenen Zu stand;
die Fig. 3 eine Kurve der spezifischen Wärme in Abhängikeit der Temperatur für ein Energieumfor- merelement im ungeladenen und geladenen Zustand; die Fig. 4 ein Schema der Grundschaltung, welche im Umformer zur Umformung von Energie zwischen der thermischen und der elektrischen Form verwendet wird;
die Fig. 5 ein Schema, welches den Zustand der verschiedenen Parameter des Umformerelementes der Fig. 4 am Ende jedes Verfahrensschrittes anzeigt, welcher erforderlich ist, damit das Element als Um former zur Umformung von thermischer Energie in elektrische Energie arbeitet; die Fig. 6 einen Teil der Kurve der Fig. 2 in vergrössertem Massstab, um den Arbeitsbereich des Umformers deutlicher darzustellen;
die Fig. 7 einen Teil der Kurve der Fig. 3 in ver- grössertem Massstab, um den Arbeitsbereich des Umformers besser darzustellen; die Fig. 8 ein Schema, welches den Zustand der verschiedenen Parameter des Umformerelementes der Fig. 4 am Ende jedes Verfahrensschrittes zeigt, wel cher erforderlich ist, damit das genannte Element als Absorber von Wärmeenergie aus einem geschlosse nen System arbeitet; die Fig. 9 einen Teil der Kurve der Fig. 2 in vergrössertem Massstab zur Darstellung des Arbeits bereiches des Kühlers; die Fig. 10 einen Teil der Kurve der Fig. 3 in vergrössertem Massstab zur Darstellung des Arbeits bereiches des Kühlers;
die Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Energieumformers, welcher H2O als Dielektrikum im Umformerelement verwendet; die Fig. 12 ein Schema eines Energieumformers zur Umformung von thermischer Energie in elektri sche Wechselstromenergie; die Fig. 13 ein Schema eines Energieumformers zur Umformung thermischer Energie in einen drei- phasigen Wechselstrom; die Fig. 14 ein Schema eines Energieumformers zur Umformung thermischer Energie in einen Wech selstrom verhältnismässig hoher Frequenz; die Fig. 15 ein Schema einer Energieumformungs schaltung zur Umformung thermischer Energie in einseitig gerichtete elektrische Energie, in welcher eine anfängliche Ladung über eine Belastung und über eine Ladequelle in Umlauf gehalten wird, und zwar ohne Verlust der Leistung der Ladequelle;
die Fig. 16 ein Schema einer Energieumformungs schaltung zur Umformung von thermischer Energie in einseitig gerichtete Energie, welche Schaltung eine Anzahl Umformerelemente verwendet, welche in ver schiedenen Zeitpunkten arbeiten können und nach einer anfänglichen Aufladung keine Batterieleistung benötigen; die Fig. 17 eine Boje zur Verwendung von Son nenenergie, in welcher die Schaltung nach Fig. 15 verwendet werden kann; die Fig. 18 eine schematische Darstellung eines Energieumformers zur Erzeugung hochgespannter einseitig gerichteter elektrischer Energie; und die Fig. 19 eine schematische Darstellung eines Energieumformers, welcher thermische Energie zur Kühlung für einen geschlossenen Raum verwendet.
Die Fig. 1 lässt erkennen, dass es für die Zwecke der Erfindung erwünscht ist, verhältnismässig hohe Werte der Dielektrizitätskonstanten bei verhältnis- mässig kleinen Temperaturen und verhältnismässig kleinen Werten der Dielektrizitätskonstanten bei rela tiv hohen Temperaturen zu haben. Zahlreiche Di elektrika, wie z. B. ferroelektrische Stoffe, für welche Bariumtitanat ein geeignetes Beispiel ist, weisen Cha rakteristiken der eben beschriebenen Art auf. Die Werte der Dielektrizitätskonstanten gemäss der aus gezogenen Kurve der Fig. 1 wurden für hohe elek- trische Feldstärken erhalten, und daher ist auf dieser Kurve der Spitzenwert der Dielektrizitätskonstanten bei einer gegebenen Temperatur, welche gewöhnlich mit Curie-Temperatur (T@) bezeichnet wird, nicht erkenntlich.
Der Spitzenwert der Dielektrizitätskon stanten bei der Curie-Temperatur ergibt sich gewöhn lich dann, wenn die Werte der Dielektrizitätskonstan- ten bei verhältnismässig schwachen Feldstärken auf genommen werden, und diese entsprechende Kenn linie ist durch die gestrichelte Kurve der Fig. 1 dar gestellt. Bei hohen Feldstärken bleibt die Dielektrizi tätskonstante unterhalb der Curie-Temperatur rela tiv hoch, und nachdem diese Temperatur erreicht worden ist, nehmen die Werte der Dielektrizitätskon- stanten nach und nach ab und nähern sich einem konstanten relativ kleinen Wert bei verhältnismässig hohen Temperaturen.
Aus der Fig. 2 erkennt man, dass im Bereich der Curie-Temperatur des verwendeten Dielektrikums sowohl im geladenen wie auch im ungeladenen Zu stand eine scharfe Zunahme der Energie eintritt. Bei der genannten Temperatur T@ tritt im Dielektrikum ein Phasenübergang oder eine Phasenänderung der molekularen Struktur ein. So tritt in ferroelektrischen Stoffen, von denen Bariumtitanat ein Vertreter ist, ein Phasenübergang des Kristallgitters auf, welcher normalerweise begleitet ist von einer spezifischen Wärmeanomalie. Die Änderung der Phase in Barium- titanat zeigt sich als Änderung der Kristallgitterstruk tur von der tetragonalen Form in die kubische Form.
Die scharfe Zunahme der thermischen Energie bei der Curie-Temperatur T" wird unterstützt durch einen Vorgang, der als Zerstörung der spontanen Polari sation bezeichnet werden kann, welche im dielektri- schen Stoff vorhanden ist, bis die Curie-Temperatur erreicht ist.
Somit ist die totale Energie infolge der Anlegung thermischer Energie an das Dielektrikum in der Fig. 2 durch die ausgezogene Kurve dargestellt und die totale Energie infolge der Anlegung von Energie von thermischen und elektrischen Quellen durch die gestrichelte Kurve dargestellt. Man erkennt somit, dass für irgend eine gegebene Temperatur der Unterschied zwischen zwei Punkten auf der dem geladenen Zustand entsprechenden gestrichelten Kurve und der dem ungeladenen Zustand entspre chenden ausgezogenen Kurve den Betrag der vor handenen elektrischen Energie darstellt, welche, wie später erläutert, den Wert E,
=1/2 QV aufweist, wo Q die Ladung im Speicherelement und V die Span nung desselben ist.
Die oben erwähnte spezifische Wärmeanomalie ist eindeutig aus der Fig. 3 ersichtlich. Es ist zu er wähnen, dass oberhalb der Curie@Temperatur T, der gegebene dielektrische Stoff verschiedene Werte spe zifischer Wärme bei der gleichen Temperatur für den geladenen und ungeladenen Zustand zu zeigen be# ginnt, und wegen dieser Eigenschaft kann das als Kühler ausgebildete Ausführungsbeispiel betrieben werden.
Es ist auch erkenntlich, dass unterhalb der Curietemperatur für irgend eine gegebene Tempera- tur praktisch kein Unterschied in der spezifischen Wärme zwischen dem geladenen und ungeladenen Zustand vorhanden ist, und ausserdem ist zu erken nen, dass bei einem Punkt, welcher weit über der Curie-Temperatur liegt, die Werte für die spezifische Wärme im geladenen und ungeladenen Zustand wie der gleich sind.
Aus den nachfolgenden Beispielen und Erläuterungen erkennt man, dass der Bereich, wo das dielektrische Element zwei Werte für die spe zifische Wärme bei einem gegebenen Temperaturwert aufweist, der Bereich ist, welcher für das wirksamste Arbeiten des Umformers verwendet wird.
Das Prinzip der Erfindung und die grundlegende Schaltung eines ferroelektrischen Energieumformers lässt sich anhand der Fig. 4 verstehen.
Die Fig. 4 zeigt ein Energiespeicherelement 1, welches aus zwei gegenüberliegenden leitenden Plat ten 2 und einem zwischen diesen liegenden dielektri schen Stoff 3 besteht, welcher beispielsweise aus Bariumtitanat besteht. Eine Quelle 4 elektrischer Energie, die im vorliegenden Beispiel als Batterie dargestellt ist, ist mit den Elektroden 2 des Speicher elementes 1 verbunden, um eine gegebene Ladung in das Speicherelement zu bringen, und eine Halte- Diode 5 mit einer hohen Rückspannung wird ver wendet, um das Speicherelement 1 auf einem hohen Spannungspegel zu halten. Eine Zenerdiode 5' oder ein ähnliches Schaltelement wird in Reihe mit der Belastung verwendet und verhindert die Entladung des Elementes 1, solange eine gegebene Spannung nicht erreicht ist.
Selbstverständlich ist die Durch schlagspannung der Diode 5' kleiner als diejenige der Haltediode 5. Ein Verbraucher 6 ist mit den Elek troden 2 des Elementes 1 verbunden. Ausserhalb des Speicherelementes 1 ist eine thermische Energiequelle 7 vorhanden, welche aus irgend einer Wärmequelle, wie z. B. der Sonne, einer Gasflamme oder natürli chem Wasserdampf bestehen kann. In der Fig. 4 ist weiter ein Mittel 8 gezeigt, welches gestattet, das Element 1 der Wärmeenergie der Quelle 7 auszu setzen, wobei das genannte Mittel im vorliegenden Falle aus einem mechanischen Schieber 8 besteht, welcher zwischen der Wärmequelle 7 und dem Spei cherelement 1 liegt.
Der Schieber 8 kann durch den Handgriff 9 mechanisch betätigt werden, oder durch irgendwelche andere geeignete elektrische oder me chanische Mittel.
Im Betrieb wird das Speicherelement 1 der Schal tung der Fig. 4 durch die Batterie 4 und die Halte diode 5 im geladenen Zustand gehalten. Das Element 1 wird bei einer gegebenen Temperatur, welche in der Fig. 1 mit T@ bezeichnet ist, geladen. Der Punkt T@ der Fig. 1 ist die Curie-Temperatur, aber unter Verhältnissen eines Betriebs mit hoher Feldstärke, kann die Temperatur T@ etwas über oder unterhalb der Curie-Temperatur liegen, da in diesem Bereich keine wesentliche Änderung der Werte der Dielektri zitätskonstanten vorhanden ist. Wenn sich somit das Element 1 auf der Temperatur T@ befindet, ist seine Kapazität Cc ein Maximum infolge der hohen Di- elektrizitätskonstanten Kc, wie sich dies aus der Fig. 1 ergibt. Die elektrische Ladung im Speicherelement 1 ist daher: Q=Cc.Vc wo Vc die Spannung der Batterie 4 ist.
Die im Kon densator gespeicherte elektrische Energie ist gegeben durch: Wc = ¸ Q.Vc Wenn Wärmeenergie aus der Wärmeenergiequelle 7 an das Energiespeicherelement 1 abgegeben wird, steigt die Temperatur des Elementes 1 auf eine Tem peratur Tc' an, und die Dielektrizitätskonstante fällt auf den Wert Kc' ab, wie dies aus der Fig. 1 hervor geht. Ein entsprechender Abfall tritt im Kondensator 2 auf:
EMI0004.0013
Da die Ladung Q wegen der Haltediode 5 nicht abnehmen kann, muss ein Anstieg der Kondensator- spannung von V" auf V,' um den. Faktor
EMI0004.0019
ein treten.
Die Aufrechterhaltung der Ladung bedingt, dass:
EMI0004.0021
Somit ist die Kondensatorspannung durch Er wärmung des Speicherelementes 1 erhöht worden. Die erhöhte Spannung des Elementes 1 ist aber gleichbedeutend wie eine Erhöhung der elektrischen Energie W um den Faktor
EMI0004.0027
da
EMI0004.0028
Die Energiezunahme
EMI0004.0029
ist bedingt durch die Umwandlung von thermodyna mischer Energie oder Wärmeenergie in elektrische Energie,
wie dies aus der nachfolgenden Diskussion ersichtlich ist.
Die gleiche grundlegende Schaltung der Fig. 4 kann für den Betrieb des Energiespeicherelementes 1 als Wärmeabsorber aus einem geschlossenen System verwendet werden. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Quelle 7 thermischer Energie eine endliche Wärmequelle ist, wie dies für einen ge schlossenen Raum zutrifft, welcher abzukühlen ist.
Aus der Gleichung He,zz:C.T.M wo H, = der in einem gegebenen Körper enthaltenen thermischen Energie C = der spezifischen Wärme des genannten ge gebenen Körpers T = der Temperatur des genannten Körpers M = der Masse des genannten Körpers ist, erkennt man, dass, falls die Wärmeenergie des Kör pers konstant bleibt und die spezifische Wärme zu nimmt, die Temperatur des Körpers abnehmen muss, um die Wärmeenergie auf dem gegebenen Wert zu halten.
Wenn man die vorgehende Feststellung in Verbindung mit der Kurve der Fig. 3 betrachtet, welche die spezifische Wärme in Abhängigkeit der Temperatur wiedergibt, erkennt man, dass durch die Zuführung elektrischer Energie an das Speicherele ment 1 die spezifische Wärme des Elementes 1 ver- grössert wird (die ausgezogene Kurve entspricht dem ungeladenen Wert und die gestrichelte Kurve dem geladenen Wert). Es folgt daher, dass die Temperatur des Elementes 1 abnehmen muss, falls die thermische Energie im Speicherelement 1 konstant bleibt. Es ist noch ein Beitrag an thermischer Energie infolge der sog. Polarisationswärme vorhanden.
Die Änderung der thermischen Energie infolge der Polarisations wärme ist jedoch verhältnismässig klein und erhöht die genannte thermische Energie nicht merklich. Infolgedessen ist die Änderung der spezifischen Wärme gross genug, um einen Temperaturabfall und nicht eine Temperaturzunahme zu bewirken. Diese Änderung der spezifischen Wärme zwischen dem geladenen und ungeladenen Zustand spielt eine wich tige Rolle beim Betrieb des Energiespeicherelementes als Absorber von Wärme aus einem geschlossenen System.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 5, 6 und 7 wird das Betriebsverfahren des Energiespeicherelementes 1 als Umformer gezeigt, und in der Fig. 5 ist der Zustand der verschiedenen Parameter des Energie speicherelements 1 am Ende jedes Verfahrensschrittes angegeben. Der Zustand des Speicherelementes 1 hinsichtlich der totalen Energie und hinsichtlich der spezifischen Wärme ist in der Fig. 6 bzw. 7 gezeigt, und zwar am Ende jedes Verfahrensschrittes, um eindeutig den Gewinn an elektrischer Energie und die Änderung der spezifischen Wärme zu zeigen, wenn sowohl elektrische und thermische Energie dem Speicherelement 1 zugeführt werden. In der Fig. 5 zeigt der Block d die verschiedenen im Spiel stehen den Parameter und welches der Zustand dieser Para meter am Beginn, des Umformungszyklus sein soll.
Die Anfangszustände der verschiedenen Para meter des Elementes 1 sind die folgenden: Die Di elektrizitätskonstante des Dielektrikums 3, welches im Element 1 der Fig. 4 verwendet wird, befindet sich auf einem gegebenen Wert, welcher innerhalb des verwendeten Temperaturbereiches ein Maximum sein sollte. Dies entspricht der Kurve der Fig. 1 und der Theorie, gemäss welcher das Energiespeicherele ment 1 anfänglich bei einem relativ hohen Wert der Dielektrizitätskonstanten aufgeladen werden sollte. Die Fig. 5 zeigt, dass die elektrische Energie Null ist und die Punkte d in den Fig. 6 und 7 zeigen die totale Energie bzw. die spezifische Wärme des Spei cherelementes 1 in ungeladenem Zustand.
Der erste Schritt beim Verfahren zur Umformung thermischer Energie in elektrische Energie ist in der Fig. 5 im Block A angegeben. Dieser erste Schritt besteht wie ersichtlich darin, dem Energiespeicher element 1 der Fig. 4 elektrische Energie aus der Batterie 4 bei einem gegebenen Punkt im verwert baren Temperaturbereich zuzuführen. Diese gegebene Temperatur, nämlich Td, ist in den Fig. 6 und 7 als eine Temperatur dargestellt, welche etwas oberhalb der Curie-Temperatur Tc des dielektrischen Materials liegt. Die gegebene Temperatur kann jedoch gleich der Curie-Temperatur Tc oder eine Temperatur ober halb oder unterhalb der Curie-Temperatur des Ener giespeicherelementes 1 sein.
Die Temperatur Td gemäss den Fig. 6 und 7 wurde aus dem Grunde etwas oberhalb der Curie-Temperatur angenommen, da bei diesem Punkt die dielektrische Konstante ein Maximum für diesen Zyklus ist, und zwar bei Ver hältnissen einer hohen Feldstärke, und bei diesem Punkt eine minimale Temperaturänderung erforder lich ist, um den grössten Gewinn an elektrischer Energie zu erzielen. In der Fig. 5 ist weiter der Zu stand der verschiedenen Parameter nach der Zufüh rung der elektrischen Energie bei einer gegebenen Temperatur im Block a) gezeigt.
Wie erkenntlich, nehmen die elektrische Energie, die Spannung und die Ladung des Speicherelementes 1 zu, während die thermische Energie, die Dielektrizitätskonstante und die Kapazität des Speicherelementes 1 konstant bleiben.
In den Fig. 6 und 7 ist die Temperatur Td als unverändert dargestellt. Die Temperatur hat jedoch das Bestreben, abzunehmen, wie dies aus der Tat sache erkenntlich ist, dass die spezifische Wärme in der Fig. 7 vom Punkt d zum Punkt a) zugenommen hat. Diese Zunahme der spezifischen Wärme würde normalerweise eine Abnahme der Temperatur des Umformers oder des Speicherelementes 1 bedeuten, aber für die vorliegende Erläuterung wird angenom men, dass bei einer Änderung der spezifischen Wärme genügend thermische Energie absorbiert wird, um das Element 1 auf der Temperatur Td Zu halten.
In der Fig. 6 stellt somit die Linie d-a die Spitze an elektrischer Energie dar, welche zu der bereits vor handenen thermischen Energie des Speicherelementes 1 hinzukommt, und diese elektrische Energie ist gleich: Wa, =1@2 Q . V Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 ist der nächste Verfahrensschritt im Block B angegeben.
Dieser Schritt besteht darin, dass man das Element 1 der Einwirkung einer Quelle von thermischer Energie aussetzt, um die thermische Energie des Elementes und damit die Dielektrizitätskonstante und die elek trische Energie des Elementes 1 zu ändern. Der Block b der Fig. 5 zeigt den Zustand der verschiede= nen Parameter des Speicherelementes 1 nach der eben erwähnten Erwärmung an.
Die Temperatur hat auf einen Wert Tc' zugenommen, wie aus den Fig. 6 und 7 hervorgeht, und die Dielektrizitätskonstante ist ge- mäss der Kurve der Fig. 1 auf einen verhältnismässig niederen Wert bei der Temperatur Tc' abgefallen. Als Ergebnis dieser Abnahme der Dielektrizitätskonstan ten nimmt die Spannung des Elementes zu und daher auch die elektrische Energie im Speicherelement 1. Die Ladung ist wegen der Dioden 5 und 5' der Fig. 4 konstant geblieben, während die Spannung des Ele mentes zugenommen hat. Da thermische Energie dem Speicherelement 1 hinzugefügt wird, wäre anzuneh men, dass die thermische Energie zunimmt.
Die ther mische Energie steigt tatsächlich, aber nicht im Ver hältnis der Menge der hinzugefügten thermischen Energie, d. h. dass dann eine Umformung von Ener gie zwischen ihrer thermischen und elektrischen Form stattfindet.
Der Mechanismus dieser Umformung lässt sich wie folgt erklären: Ein Teil der zugeführten thermi schen Energie wird verbraucht, um die ausgerichteten elektrischen Dipole des verwendeten polaren dielek trischen Materials in eine gewisse willkürliche Un ordnung zu bringen. Diese Energie tritt als zusätzliche elektrische Energie im kapazitiven Speicherelement 1 auf. Das mechanische Äquivalent wäre ein Konden sator, in welchem ein Teil des Dielektrikums entfernt würde, zwischen dessen Elektroden ein elektrisches Feld vorhanden ist. In diesem Falle wie im Falle der Zuführung thermischer Energie erscheint die ver brauchte Arbeit als erhöhte Spannung, welche zu einer erhöhten elektrischen Energie im Kondensator führt.
Die Zunahme der Spannung am Ende der Stufe B ist experimentell nachgewiesen worden. Ein ferro- elektrischer Kondensator von der Art des Elementes 1 der Fig. 4 wurde aus einem dünnen Blatt aus Barium-Strontium-Titanat hergestellt, dessen Abmes sungen ungefähr 12,7 X 50,8 X 0,13 mm betrugen und dessen Curie-Temperatur einen Wert von 35 C hat. Die Dielektrizitätskonstante K bei geringer Feld stärke betrug bei diesem Punkt ungefähr 10 000. Der Kondensator wurde in einer Schaltung von gleicher Art wie derjenigen der Fig. 4 verwendet, und die an den Ausgangsklemmen liegende Belastung bestand aus einem Röhrenvoltmeter. Als Wärmequelle wurde eine Infrarotlampe verwendet.
Bei der von Zimmer temperatur ausgehenden Erwärmung erreichte der Kondensator zunächst die Curie-Temperatur Tc von ungefähr 35 C. Dabei zeigt das Voltmeter an dieser Stelle praktisch die Spannung der Batterie 4 an. Bei der weiteren Erwärmung stieg die Kondensatorspan nung über die Spannung der Ladebatterie 4, und bei einer Temperatur von ungefähr 90 C war die Kon densatorspannung mehr als verdreifacht. Der Wert der Dielektrizitätskonstanten war bei einer Tempe ratur von 90 C auf ungefähr einen Drittel ihres ur sprünglichen bei 35 C gemessenen Wertes abgesun ken. Bei der Curie-Temperatur und bei 90 C wurden Spannungswerte von 76 bzw. 260 Volt erzielt.
Da die Energie unter Verhältnissen eines konstanten Wertes von Q proportional zu den Spannungen bei den beiden Temperaturen ist, ist der Energiegewinn proportional zur Spannung bei 90 C dividiert durch die Spannung bei der Curie-Temperatur, d. h. im vorliegenden Fall ergibt sich ein Energiegewinn von 3,4. Durch wechselweise Änderung der Temperatur zwischen den beiden genannten Punkten stieg die Spannung bei jeder Einwirkung der thermischen Energie auf das Speicherelement 1 auf den höheren Spannungswert an.
In der Fig. 6 ist dann die totale Energie des Speicherelementes 1 von a nach b längs der Linie a-b angestiegen, und in der Fig. 7 hat die spezifische Wärme von Punkt<I>a</I> längs der Linie a-b zum Punkt<I>b</I> abgenommen. In diesem Zusammenhang ist zu er wähnen, dass, obwohl gemäss Fig. 7 die spezifische Wärme abnimmt, es nicht nötig ist, dass die Ände rung der spezifischen Wärme auf diese Weise erfolgt. Da die Funktion der spezifischen Wärme die Ablei tung der Kurven für die totale Energie im geladenen und ungeladenen Zustand ist, könnte die spezifische Wärme zunehmen, abnehmen oder konstant bleiben, ohne das Arbeiten des Energiespeicherelementes 1 ungünstig zu beeinflussen.
Der nächsteVerfahrensschritt bei der Umformung thermischer Energie in elektrische Energie ist im Block C der Fig. 5 dargestellt und besteht darin, dem Speicherelement 1 elektrische Energie zu entnehmen', und zwar bei einer Spannung und einer Dielektrizi- tätskonstanten, die sich von der anfänglichen Span nung und Dielektrizitätskonstanten unterscheiden. Der Block c) der Fig. 5 zeigt dann die Zustände der verschiedenen Parameter nach der Entnahme der elektrischen Energie aus dem Element 1.
Im Zusam menhang mit den Kurven der Fig. 6 und 7 ist zu erwähnen, dass die Entladung des Speicherelementes 1 vom Punkt b auf der dem geladenen Zustand ent sprechenden Kurve zum Punkt c der dem ungelade nen Zustand entsprechenden Kurve erfolgt, und dass die Temperatur während dieses Vorganges als auf dem Wert T,' verbleibend angenommen ist.
Die Länge der Linie b-c zeigt die Menge an elektrischer Energie an, die durch Entladung des Speicherele mentes 1 erhalten wird, und diese Länge ist beträcht lich grösser als, die Länge der Linie d-a, welche der elektrischen Energiemenge entspricht, die durch La dung des Elementes 1 aufgemalt wird. Der Unter schied in den Längen der Linien b-c und d-a ist somit gleich der elektrischen Energiemenge,
welche durch Zuführung von thermischer Energie an das Umformerelement 1 gewonnen wird.
Der abschliessende Schritt des Verfahrens ist durch den Block D der Fig. 5 veranschaulicht und besteht darin, das Element 1 abzukühlen, um dessen Temperatur wieder auf die genannte gegebene Tem peratur zurückzuführen. Die Abkühlung kann auf irgend eine bekannte Art vorgenommen werden, aber das einfachste Verfahren zur Abkühlung ist dasjenige der Fig. 4, wo der mechanische Schieber B dazu ver-
EMI0007.0001
Zustand auf den Wert im geladenen. Zustand über-
EMI0007.0002
das Element 1 ansteigen darf. Dies ist eine Betrach tung von praktischer Bedeutung.
Das hier zu erfül lende Kriterium besteht darin, dass die thermische Energie bei einer Temperatur aufgenommen wird, die niedriger ist als die Umgebungstemperatur, und bei einer Temperatur abgegeben wird, welche höher als die Umgebungstemperatur ist.
Aus der Fig. 10 ist zu erkennen, dass die spezi fische Wärme vom Punkt ä zum Punkt b' abnimmt. Es ist nicht nötig, dass die spezifische Wärme auf diese Weise wirkt, um das Arbeiten des Speicherelen mentes als Kühlmittel zu erzielen. So bestimmen die Neigungen der Kurve der Fig. 9 die Form der Kurve der Fig. 10. Die Kurve der Fig. 9 ist ihrerseits be stimmt durch die Kennlinie der Dielektrizitätskon stanten des besonderen zur Verwendung gelangenden dielektrischen Materials. Wenn daher die Kennlinien des verwendeten dielektrischen Materials gesteuert werden können, wie z. B. durch Einfügung geeigneter Fremdstoffe in Bariumtitanat, kann die Kennlinie der totalen Energie gesteuert werden und damit auch die Kennlinie der spezifischen Wärme.
Man erkennt dann, dass es nebensächlich ist, ob die spezifische Wärme zunimmt, abnimmt oder auf dem gleichen Wert innerhalb eines gegebenen Temperaturbereiches bleibt. Das zu erfüllende Kriterium besteht darin, dass die Unterschiede der Werte der spezifischen Wärme über einen gegebenen Temperaturbereich für den geladenen und ungeladenen Zustand mit abneh mender Temperatur zunehmen sollten.
Der Verfahrensschritt C der Fig. 8 ist der nächste Schritt des Verfahrens der Verwendung des Speicherelementes 1 als Kühler, und dieser Schritt besteht in der Entnahme elektrischer Energie vom Element 1 bei einer von der genannten gegebenen Spannung verschiedenen Spannung innerhalb des genannten gegebenen Temperaturbereiches, um die spezifische Wärme von einem geladenen Wert auf einen ungeladenen Wert zu ändern.
Wie dies in den Fig. 9 und 10 durch den Punkt c' zum Ausdruck kommt, hat als Ergebnis des letztgenannten Schrittes die elektrische Energie abgenommen, die Temperatur über die Senkentemperatur zugenommen und die thermische Energie des Speicherelementes 1 ebenfalls zugenommen. Die Temperatur am Punkt c' ist nun höher als die Senkentemperatur, welche Td' war, und es ist nun möglich, thermische Energie von einem höheren Temperaturpegel auf einen niedrigeren Tem peraturpegel mit den Werten Tc' bzw. Td' abzugeben. Die elektrische Energie in diesem Punkt hat abge nommen, und zwar wegen der Entladung des Spei cherelementes 1.
Jedoch ist die bei der Entladung verfügbare Energiemenge kleiner als die bei der La dung des Speicherelementes 1 in Übereinstimmung mit dem zweiten Gesetz der Thermodynamik aufge brachte Energie. Der Unterschied der aufgebrachten elektrischen Energie und der bei der Entladung ver fügbaren elektrischen Energiemenge ist verbraucht oder bei der Erhöhung der thermischen Energie des Speicherelementes 1 umgeformt worden.
Somit ist am Ende des Schrittes C mehr thermische Energie verfügbar als während des Schrittes B' verbraucht worden ist. Diese Zunahme an thermischer Energie und die gleichzeitige Änderung der spezifischen Wärme infolge der Entladung des Speicherelementes 1 wirken im Sinne einer Erhöhung der Temperatur auf den Wert Tc', welche bedeutend höher sein kann als die Senkentemperatur Td'.
Eine Betrachtung der Fig. 1 an dieser Stelle zeigt, dass die Dielektrizitäts konstante bei der Temperatur Tc' auf ihren Kleinst wert abgefallen ist und dass in Übereinstimmung mit der Änderung der Dielektrizitätskonstanten die elek trische Energie am Ende des Schrittes B' zugenom men hat, wobei aber, wie dies die Fig. 8 zeigt, die elektrische Energiemenge, die am Ende des Schrittes <B>C</B> erhalten wird, gegenüber der an diesem Punkt verfügbaren elektrischen Energie abgenommen hat, und zwar infolge der Umformung eines Teiles dieser elektrischen Energie in thermische Energie. Der Ver fahrensschritt C enthält auch die Abschaltung des Energiespeicherelementes von dem zu kühlenden System und den Anschluss an eine Wärmesenke.
Der abschliessende Schritt D' besteht in der Kühlung des Speicherelementes zur Bewirkung einer Änderung der thermischen Energie des Elementes 1, wodurch die Temperatur des Elementes 1 innerhalb des ge nannten gegebenen Temperaturbereiches verändert wird, wobei das Element 1 im ungeladenen Zustand verbleibt. Auf diese Weise kann dann die Kühlung des Elementes 1 durch Abstrahlung, Konvektion und Leitung an die umgebende Atmosphäre erfolgen oder durch direkte Kühlung mit bekannten Kühlflüssig keiten.
Am Ende des Schrittes D' sind dann die verschiedenen im Spiel stehenden Parameter auf die im Block d' angegebenen Werte zurückgekehrt, und wie die Fig. 9 und 10 zeigen, ist die totale Energie auf dem Punkt<B>d</B> bei der Anfangstemperatur Tä gesunken und die spezifische Wärme auf den An fangswert bei der gleichenTemperatur zurückgekehrt. Somit ist ein Zyklus des Betriebes des Energiespei- cherelementes 1 als Kühler beendigt.
Es ist dann klar, dass es bei mehreren Durchläufen des Ele. mentes 1 durch den Arbeitszyklus in der oben be schriebenen Weise möglich ist, Wärme aus einem geschlossenen System zu absorbieren und damit die ses System zu kühlen. Diese Kühlung tritt selbstver ständlich nur ein unter der Voraussetzung, dass ther- mische Energie dem geschlossenen System rascher entnommen wird, als sie aus anderen Quellen gewon nen wird.
In Verbindung mit dem vorhergehenden Zyklus ist es von Bedeutung, festzustellen, dass die Ladung und Entladung innerhalb des Zyklus in adiabatischer Weise erfolgt sind und nicht durch Ladung und zwangsweise Konstanthaltung der Temperatur, wie dies im Falle des Umformers zutraf. Weiter ist an dieser Stelle die Tatsache von Bedeutung, dass der Energieumformer 1, welcher im Bereich arbeitet,
wo die Unterschiede in der spezifischen Wärme mit zu nehmender Temperatur zunehmen, als Energieuni- former arbeitet, falls das Energiespeicherelement zy klisch in der folgenden Art betrieben wird. Unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 sollte der Zyklus am Punkt e' der Kurve beginnen. Durch Zuführung von Wärme an den Energieumformer 1 wird die Temperatur vom Wert Te' am Punkt e' auf den Wert Td' am Punkt d' erhöht. An diesem Punkt wird dem Energiespeicherelement 1 elektrische Energie zuge führt, und es wird gestattet, dass sich das Element 1 adiabatisch auflädt, wie dies im Falle des Kühlers der Fall war, wobei die totale Energie und die spezifi sche Wärme wie zuvor aus den Fig. 9 und 10 er sichtlich sind.
Am Punkt ä hätte dann bei der Ent ladung des Kondensators die totale Energie und die spezifische Wärme das Bestreben längs der Linien a'-d' zu ändern, vorausgesetzt, dass dieser Zyklus vollständig reversibel ist. Indem man jedoch das Ele ment zwingt, auf der Temperatur Te' zu bleiben und die Entladung längs der Linien a'-e' in den Fig. 9 und 10 vor sich gehen lässt, ist es möglich, eine Um formerwirkung insofern zu erhalten, als am Ausgang mehr elektrische Energie erhalten wird, als dem Energiespeicherelement 1 zugeführt wurde. Somit ist ein Gesamtgewinn an elektrischer Energie zu ver zeichnen und thermische Energie ist in elektrische Energie umgesetzt worden.
Dieser Betrieb ist nicht beschränkt auf den besonderen in den Fig. 9 und 10 gezeigten Bereich, sondern lässt sich durchführen bei irgend einem Punkt auf diesen Kurven unter der Vor aussetzung, dass die Ladung des Energieumformers 1 adiabatisch und die Entladung isothermisch erfolgt. Es ist selbstverständlich klar, dass die grösste Ände rung der verfügbaren elektrischen Energie im Be reich des Knies der Kurve der Fig. 9 erhalten werden kann.
Diese Art der Energieumformer ist verhältnis- mässig unwirksam im Vergleich zu dem in Verbin dung mit der Fig. 5 beschriebenen Verfahren, aber es ist interessant insofern, als bei der Umkehrung dieses Zyklus und der isothermischen Aufladung längs der Linien e'-a' in den Fig. 9 und 10 und der adiabatischen Entladung längs der Linien a'-d' die Temperatur des Umformerelementes auf die Tem peratur des Punktes d' erhöht wird. Daraus ist er sichtlich, dass mehr thermische Energie verfügbar ist, als am Beginn dieses Zyklus verfügbar war, und dass der Umformer 1 bei diesem Arbeitsverfahren als Wärmepumpe zur Abgabe von thermischer Ener gie wirkt.
Es hat somit eine Umformung von Energie stattgefunden, und dies kommt durch den Umstand zum Ausdruck, dass am Ausgang eine geringere elektrische Energie verfügbar ist als dem Element am Eingang zugeführt wurde.
Bisher wurde das im Energieumformer verwen dete dielektrische Material als festes Material ange nommen, wie dies z.B. für Bariumtitanat zutrifft. Es ist bekannt, dass zahlreiche derartige dielektrische Stoffe vorhanden sind, welche die wünschenswerten Kennlinien aufweisen, wie dies für Bariumtitanat der Fall ist. Solche feste Stoffe können ebensogut in den vorliegend beschriebenen Fällen verwendet werden. Die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendbaren dielektrischen Stoffe sind jedoch nicht auf feste Dielektrika beschränkt, sondern 'es lassen sich die Dielektrika in irgend einem Zustand, also im festen, flüssigen oder dampfförmigen Zustand verwenden.
Es lässt sich ein Umformer- oder Kühl- Element entwerfen, welches ein Dielektrikum enthält, welches zwei seiner drei möglichen Zustände an nimmt. Ein derartiges Dielektrikum ist z. B. reines Wasser, H2O, und wenn dieses in seiner flüssigen Form und seiner Dampfform in Verbindung mit ka- pazitiven Energiespeicherelementen verwendet wird, lässt sich ein wirksamer Umformer von thermischer Energie in elektrische Energie und wirksamer Ab sorber für thermische Energie erhalten. Die Fig. 11 zeigt nun eine geschlossene dielektrische Umhüllung 10, welche so bemessen ist, dass, sie beträchtliche Innendrücke aushalten kann.
Eine Metallelektrode 11 ist auf der Innenseite der Umhüllung 10 und an der Basis derselben angeordnet. Die Elektrode 11 kann aus einem getrennten Metallblock bestehen, welcher an der Bodenfläche der Umhüllung 10 an liegt, oder es kann sich um einen Metallfilm handeln, der durch eine bekannte Technik, z. B. durch Vaku- umaufdampfung aufgebracht ist. Parallel zur Elek trode 11 und in einem gewissen Abstand von dersel ben ist eine weitere Elektrode in Form eines Gitters 12 angeordnet, um die Verdampfung des aus H2,O bestehenden Dielektrikums bei Zuführung thermi scher Energie zu erleichtern.
Die Elektroden 11 und 12 bilden dann die Platten eines kapazitiven Ele mentes 17 von gleicher Art wie das in Verbindung mit der Fig. 4 beschriebene Energiespeicherelement 1. Die Leiter 13 und 14 verbinden die Elektroden 11 und 12 durch vakuumdichte Durchgänge 15 mit einer äusseren Schaltung, welche eine elektrische Energiequelle 4, eine Haltediode 5 und einen Ver braucher 6 von gleicher Art wie in der Fig. 4 auf weist.
Die Haltediode 5 verhindert eine schädliche Rückkopplung während des Kühl-Teils des nachste hend zu beschreibenden Zyklus. Parallel zur Bela stung 6 ist ein Kondensator 16 geschaltet, um zu verhindern, dass sich die Energiequelle 4 dauernd über die Belastung 6 entlädt.
Innerhalb der Dielek- trischen Umhüllung 10 ist ein gegebenes Volumen sehr reinen Wassers, H20, vorhanden. Das gegebene Wasservolumen genügt, um den Raum zwischen den Elektroden 11 und 12 vollständig auszufüllen, wo durch ein kapazitives Element vorliegt, welches Was ser im flüssigen Zustand als Dielektrikum enthält. Es ist bekannt, dass reines Wasser in flüssiger Form eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 80 auf weist.
Indem man nach der Ladung des auf die vor genannte Art gebildeten Kondensators Wasser aus dem Raum zwischen den Elektroden 11 und 12 ent fernt, ist es möglich, einen beträchtlichen Energie- gewinn zu erzielen, indem man lediglich den Zustand des Dielektrikums ändert. Diese Zustandsänderung kann dadurch bewirkt werden, dass man den Schie ber 8 öffnet und dadurch die dielektrische Umhüllung 10 der Einwirkung thermischer Energie aus der Quelle 7 aussetzt.
Durch Zuführung thermischer Energie an die Umhüllung 10 wird das zwischen den Elektroden 11 und 12 vorhandene Wasservolumen genügend erwärmt, um eine Verdampfung des Was sers zu bewirken, wobei der Wasserdampf durch die Gitterelektrode 12 hindurchdringt und die Umhüllung 10 füllt. Durch diese Massnahme tritt die Dielektri zitätskonstante von Wasserdampf an Stelle der Di elektrizitätskonstante des zuvor im flüssigen Zustand vorhandenen Wassers. Wegen des in der Umhüllung 10 erzeugten Druckes zeigt die Kurve für die totale Energie einen gleichartigen Verlauf wie in Fig. 2, und zwar sowohl für den geladenen als auch den unge ladenen Zustand. Für den Betrieb dieser Vorrichtung ist es nicht nötig, ein geschlossenes System mit dem in diesem zwangsläufig erzeugten Druck zu verwen den.
Die Vorrichtung kann mit einem konstanten Druck betrieben werden. Die oben stehenden Darle gungen erfordern eine weniger komplizierte Analyse und sind daher dem Verständnis zugänglicher.
Da Vorrichtungen von der in der Fig. 11 be schriebenen Art, welche Wasser als Dielektrikum verwenden, eine bedeutende Energiemenge für die Verdampfungswärme benötigen, liegt der günstigste Betriebspunkt einer solchen Vorrichtung irgendwo in der Nähe des Knies der Kurve der Fig. 2. An dieser Stelle bewirkt eine geringe Änderung der ther mischen Energie eine Umwandlung des Wassers, welches sich zwischen den Elektroden 11 und 12 in einem tropfenförmigen Zustand befindet, in Dampf. Somit kann eine Verstärkung der ursprünglich dem Kondensator der Fig. 11 zugeführten elektrischen Energie erzielt werden, indem man thermische Ener gie zuführt, um das Dielektrikum zu verdampfen und dadurch seinen Zustand zu verändern.
Der erzielte Gewinn ist proportional zur Differenz zwischen dem Wert der Dielektrizitätskonstanten im flüssigen Zu stand und dem Wert der Dielektrizitätskonstanten im dampfförmigen Zustand. Die vorgenannte Technik kann. ebensogut mit anderen dielektrischen Stoffen angewendet werden, welche sich bei Zuführung ther mischer Energie verdampfen lassen. Zu solchen Di elektrika gehören gewisse Fluorkohlenwasserstoffe, Formamide, Cyanwasserstoffsäure, Fluorwasserstoff, Dimethylsulfat und Ammoniak. Es ist zu erwähnen, dass diese Stoffe nicht nur grosse Änderungen der Dielektrizitätskonstanten mit der Temperatur zeigen, sondern auch hohe dielektrische Festigkeiten im Dampfzustand aufweisen.
Die Vorrichtung der Fig. 11 kann ebenso als Absorber von thermischer Energie betrieben werden, und zwar in annähernd der gleichen Weise, wie dies in Verbindung mit der Fig. 8 beschrieben wurde. So nimmt bei Zuführung elektrischer Energie an den durch die Elektroden 11 und 12 und den dazwischen liegenden Wasserdampf als Dielektrikum bestehende Kondensator die spezifische Wärme des Wasser dampfes zu, und die Temperatur fällt unterhalb die jenige, bei welcher die Ladung, ursprünglich zuge- führt wurde. Durch Anschluss dieses Kondensators an ein zu kühlendes System absorbiert der Konden sator Wärme, bis die Umgebungstemperatur erreicht ist. An dieser Stelle wird der Kondensator vom ge schlossenen System, welches gekühlt wird, abge schaltet und mit einer Wärmesenke verbunden, die sich auf der Umgebungstemperatur befindet.
Der Kondensator wird dann entladen und die spezifische Wärme auf einen ungeladenen Wert vermindert und die Temperatur auf einen Wert oberhalb der Umge bungstemperatur erhöht, so dass thermische Energie bei hoher Temperatur in eine Senke mit geringerer thermischer Energie entladen werden kann.
Somit können in Abhängigkeit der Temperatur, von welcher aus die Abkühlung zu erfolgen hat, oder in Abhän gigkeit der Temperatur, die man zum Gewinn von Energie zu verwenden wünscht, Dielektrika mit ver schiedenen Verdampfungstemperaturen und verschie denen Änderungen der Dielektrizitätskonstanten ver wendet werden, und das Verfahren und die Einrich tung gemäss der Erfindung lassen sich ebenso bei Verhältnissen anwenden, wo das Dielektrikum ein fester, flüssiger oder gasförmiger Stoff ist oder wo das Dielektrikum eine Änderung der Phase oder des Zustandes durchmacht.
Die Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ferroelektrische Kondensatoren in Verbindung mit einem rotierenden Element ver wendet, um thermische Energie in elektrische Wech- selstromenergie umzuformen. In der Fig. 12 ist ein Querschnitt eines zylindrischen oder kugelförmigen Körpers 17 gezeigt, welcher um seine Achse oder seinen Mittelpunkt 18 rotiert. Der Körper 17 kann beispielsweise ein Satellit sein, welcher um seine Achse 18 rotiert, während er die Erde umläuft, oder es kann sich um eine andere Art von Raumschiff handeln.
Zwei dünne Blätter aus ferroelektrischem Material 19 und 20, die beispielsweise aus kerami schem Barium-Titanat bestehen, sind am oder im Körper 17 befestigt. Die liegenden Elektroden 21, 22, 23 und 24 sind ihrerseits an den keramischen Körpern 19 und 20 befestigt, z. B. durch Vakuum- Aufdämpfung aufgebracht. Die Elektroden 22 und 23 sind vom Metallkörper 17 isoliert und bilden die Ausgangselektroden des Generators.. Die Belastung 25, die ein Leistungsverbraucher, z.
B. eine Glüh lampe, ein Radioempfänger oder dergleichen sein kann, ist mit den Elektroden 22 und 23 verbunden. Die ferroelektrischen Blätter 19 und 20 und die ih nen zugeordneten Elektroden 21 und 22 bzw. 23, 24 bilden zwei Kondensatoren, welche nachstehend mit C3 und C4 bezeichnet sind. Diese Kondensatoren C3 und C4 werden durch eine Batterie 26 und einen Serienwiderstand 27 im geladenen Zustand gehalten. Die- Batterie 26 wird nur durch Isolations-Ableit- ströme belastet. Der Widerstand 27 soll hochohmig sein, damit kein Ausgangswechselstrom durch die Batterie fliesst.
Ein Ausgangswechselstrom fliesst über den Widerstand 25, wenn der Körper 17 um seine Drehachse 18 rotiert, wie dies durch den Pfeil in der Fig. 12 tumn Ausdruck kommt, so dass die Konden satoren C3 und C4 abwechslungsweise einer Wärme- strahlung 28 und einer Wärmesenke ausgesetzt sind, in welche Senke die in den Kondensatoren C3 und C4 enthaltene thermische Energie übergeht, und wel che in der Fig. 12 mit 29 bezeichnet ist.
Die An fangsladung der Kondensatoren C3 und C4 wird durch die Batterie 26 geliefert, und ein Teil dieser Ladung wird durch die Belastung 25 hin und her verschoben, wenn die Kondensatoren C3 und C4 erwärmt und abgekühlt werden, indem sie abwechs lungsweise der Quelle 28 ausgesetzt und von dieser abgeschirmt werden. Es ist zu erwähnen, dass die in der Belastung vernichtete elektrische Energie durch die Temperaturschwankungen erzeugt wird, denen die Kondensatoren C3 und. C4 unterworfen sind,., und nicht von der Rotationsenergie des Körpers 17, wie das im üblichen elektromagnetischen Generator der Fall ist.
Wenn man nun annimmt, dass, wie in Fig. 1, die Temperatur zwischen den Werten Tc und Tc' schwankt, ist es möglich, die Wirkung des Wechsel- stromgenerators der Fig. 12 anzugeben.
Im Bereich der Curie-Temperatur Tc nimmt der Kondensator C4 folgende elektrische Ladung auf: Qc = Cc. Vc während Kondensator C3 bei der Temperatur Tc' die Ladung Qc = Cc'. Vc aufnimmt. Der Unterschied der beiden Ladungen ist Qc = Qc' = Vc (Cc - Cc').
Diese Ladung wird während jedes Temperatur zyklus zweimal vorwärts und rückwärts durch den Belastungswiderstand verschoben, so dass sich der folgende durchschnittliche Strom ergibt: I=2f(Qc-Qc')=2fVc(Css-Css') wo f die Frequenz des Temperatur-Zyklus oder die Frequenz des Wechselstromes ist. Die Spitzenspan nung bei offenem Stromkreis, d. h. im unbelasteten Zustand, ergibt sich aus der Erwärmung eines Kon- densators von der Temperatur Tc nach Tc'.
Diese Spannung ist gleich
EMI0011.0012
Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, dass, wenn ein hoher durchschnittlicher Strom erhal ten werden soll, eine hohe Frequenz f erwünscht ist, welche proportional zur Anzahl Umdrehungen des Körpers 17 ist. Für eine gegebene Wärmequelle 28 und Wärmesenke 29 kann eine Anzahl Drehungen und damit der Wirkungsgrad der Vorrichtung da durch erhöht werden, dass man die Wärmekapazität oder thermische Trägheit der dielektrischen Körper 19 und 20 verkleinert. Es ist erwünscht, dielektrische Körper zu verwenden, welche so dünn als möglich sind, als dies mit Rücksicht auf die dielektrische Festigkeit noch zulässig ist.
Ein praktisches Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung würde mit Vorteil dünne Blätter aus ferroelektrischen Stoffen verwenden, welche durch ein Klebemittel am rotierenden Körper befestigt sind, welche schlechte Wärmeleiter sind. Falls die Wärmeübertragung durch Strahlung erfolgt, sollten die Oberflächen-Elektroden 21 und 24 einen hohen Absorption-Strahlungs-Koeffizienten aufweisen.
Der Ausgangsstrom in der Belastung 25 der Fig. 12 ist nicht in Phase mit der Generatorspannung, da die Ersatzschaltung des Generators ein Kondensator ist. Die Generatorspannung und der Belastungsstrom sind jedoch in Phase, falls die Belastung, eine Induk tivität ist, welche der folgenden Bedingung gehorcht:
EMI0011.0015
Die vorstehende Bedingung entspricht einem Re sonanz-Zustand.
Die Energie-Absorption einer Widerstandsbela stung kann vergrössert werden, falls ein spannungs abhängiges Schaltelement, wie z. B. ein Thyrit-Wider- stand oder eine Gegeneinanderschaltung von Zener dioden, in Reihe mit der Belastung 25 verwendet wird. Eine derartige Anordnung gestattet nur dann das Fliessen eines Stromes, wenn eine Schwellen spannung (Zenerspannung) überschritten worden ist. Der Strom wird durch die Belastung nicht sinusförmig und weist einen zunehmenden quadratischen Mittel wert auf, obwohl die Frequenz der Entladungs-Zy- klen die gleiche bleibt.
Das Prinzip des ferroelektrischen Wechselstrom- generators eignet sich ohne weiteres auch für Mehr phasensysteme. Die Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines ferroelektrschen Dreiphasengenerators. Er unter scheidet sich vom Generator der Fig. 12 durch die Art, in welcher die ferroelektrischen Kondensatoren angeordnet sind, und durch die Art der Erwärmung und Kühlung., Der rotierende Zylinder-Körper 30 weist Öffnungen auf,
durch welche Strahlungsener- gien 32 in das Innere des Körpers 30 gelangen und die ferroelektrischen Kondensatoren<B>33.</B> der Reihe nach. bei der Drehung des Körpers um die Achse 34 erwärmen können. Die Widerstände 35 bilden die> Belastung. dieses Dreiphasengenerators. Die. Batterie 36 dient, wie. im Fallei der Fig. 12, nur dazu, den anfänglichen Ladungszustand herzustellen.
Wenn. die Kondensatoren 33 abwechslungsweise erwärmt und abgekühlt werden, und zwar durch die Strahlung der thermischen Energie 32 und durch die Abstrahlung in die Senke 37, wird die Ladung des. Kondensators 33, welcher gerade unter der Einwirkung der Strah lung der Quelle 32 steht, durch den zugeordneten Belastungswiderstand verschoben und zu. gleichen Teilen auf die zwei Kondensatoren<B>33</B> verteilt, welche nicht direkt durch. die Spannungsenergie aus der Quelle 32 aufgeheizt werden und sich daher auf einem tieferen Potential befinden.
Indem man die äussere Oberfläche 38 der Kondensatoren 33 so ge staltet, dass sie stark reflektieren, kann eine Erwär mung durch Bestrahlung dieser Oberfläche gering gehalten werden. Die Innenbefestigung der Konden satoren 33 hat den Vorteil, dass durch die rotations bewirkte Zentrifugalkraft die Kondensatoren fest gegen den Körper 30 angepresst werden, so dass hohe Drehgeschwindigkeiten möglich sind. In der Anord nung nach Fig. 13 sind die Kondensatoren 33 ausser- dem besser gegen Änderungen der Umgebungsver hältnisse geschützt, und zwar insbesondere, wenn die Öffnungen 31 beispielsweise mit Glas oder Quarz bedeckt sind.
Bei Anwendungen in Satelliten oder Raumschiffen werden die Kondensatoren 33 somit gegen Zusammenstösse mit Mikro-Meteorstein ge schützt. Die Wärmeabstrahlung der Kondensatoren 33 ist jedoch nicht so gut wie im Falle der Fig. 12. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 13 ist selbstver ständlich nur ein Vertreter für eine Anwendung der vorliegenden Erfindung auf Mehrphasensysteme, da ja Systeme mit sechs oder mehr Phasen leicht ent worfen werden können. Die Frequenz des Ausgangs signals von ferroelektrischen Generatoren ist wegen der Tatsache klein, dass Körper kleiner aber endli cher Masse dem Temperatur-Zyklus unterworfen sind.
Es ist jedoch durch Verwendung von Frequenz- Vervielfachern möglich, höhere Frequenzen zu er halten, wenn die Frequenz-Vervielfacher in Verbin dung mit Mehrphasensystemen von der in der Fig. 13 gezeigten Art verwendet werden.
Eine Anordnung zur Erzeugung einer höheren Frequenz ohne Verwendung von Frequenz-Verviel- fachern ist in der Fig. 14 gezeigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 14 besteht der gesamte rotierende Körper 40 aus einem geeig neten ferroelektrischen Stoff wie Barium-Titanat. Eine Aussenelektrode 41 mit hoher Absorptions- oder Wärmeübertragungseigenschaft bedeckt diesen Zylinder oder kugelförmigen Körper 40 aus Barium- Titanat. Die Innenelektroden 42 sind über Dioden 43 mit einem Belastungswiderstand 48 verbunden. Bei der in der Fig. 14 gezeigten Polarität der Dioden ist es vorteilhaft, die Innenelektroden 42 durch die Ladebatterie 45 positiv aufzuladen, und zwar erfolgt diese Aufladung über die Dioden 43, welche im Zenerbereich arbeiten.
Selbstverständlich könnten für den beabsichtigten Zweck auch andere Anordnungen gewählt werden. Die Spitzenspannungen und die Batteriespannung liegen über der Zenerspannung der Dioden 43. Paare von gegenüberliegenden Konden satoren, bzw. 46 und 47, sind über zwei entgegen gesetzte Zener-Dioden 43 mit der Belastung 48 ver bunden. Die Dioden 43 haben die Wirkung, dass sie eine sonst praktisch sinusförmige Entladung eines halben Zyklus in einen schmaleren Impuls umformen. Nach einer Teildrehung des Körpers 40 fliesst ein Impuls entgegengesetzter Polarität durch die Bela stung 48. Somit entsteht ein Wechselstrom, dessen Frequenz N mal der Rotations-Frequenz der ganzen Anordnung ist, wobei N gleich der Anzahl von Kon- densator-Paaren ist.
Falls man ein Ausgangssignal zu erhaltenwünscht, das sich mehr der Sinusform nähert, können anstelle der Zener-Dioden Thyrit-Widerstände verwendet werden, oder auch Gas-Dioden. Im Betrieb ent spricht die Vorrichtung der Fig. 14 den Vorrich tungen der Fig. 12 und 13. Thermische Strahlungs energie 49 fällt auf den Kondensator 46, wodurch die Temperatur oder die Spannung des Kondensator- Elementes erhöht wird. Der dem Kondensator 46 gegenüberliegende Kondensator 47 strahlt thermische Energie 50 ab.
Als Folge dieser Absorption und Ab gabe von thermischer Energie wird im Kondensator 46 wegen der Änderung der Dielektrizitätskonstanten mit der Temperatur die Spannung erhöht und im Kondensator 47 gegenüber seinem erwärmten Zu stand die Spannung erniedrigt. Daher besteht eine Potentialdifferenz zwischen den Kondensatoren 46 und 47, und wenn die Spannung des Kondensators 46 die Durchbruchspannung der Diode 43 so über trifft, fliesst ein Stromimpuls durch die Belastung 48 und eine zweite Zener-Diode 43, welche die richtige Durchbruchspannung gegenüber dem Kondensator 46 aufweist.
An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass die Ent ladung zwischen den Kondensatoren 47 und 46 über die Belastung 48 nur deshalb stattfindet, weil zwi schen diesen beiden Kondensatoren die richtige Po tentialdifferenz vorhanden ist, und daher wird der Stromweg durch den Durchbruch der Zener-Diode 43 beim vorgenannten Potential geöffnet. Die oben stehenden Darlegungen gehen selbstverständlich von der Annahme aus, dass sich der Kondensator 46 auf der höchsten und der Kondensator 47 auf der tief sten Temperatur befindet. Die Verbindungen zwi schen diesen Kondensatoren können auf irgend eine geeignete Art hergestellt werden.
Selbstverständlich sind die vorstehend beschrie benen Ausführungen von Wechselstromgeneratoren nur als Beispiele zu werten und berücksichtigen in keiner Weise alle möglichen Konstruktionen. Die Wahl des ferroelektrischen Stoffes ist weiterhin ab hängig von der Anwendung und den verfügbaren Temperaturunterschieden. Die Curie-Temperaturen von bekannten ferroelektrischen Stoffen liegen im Bereich von 15 K für Blei-Niobat, bis 840 K für Meta-Niobat. Kalium-Niobat ist ein weiteres Tem- peratur-Material mit einem Curie-Punkt von etwa 700 K.
Weiter sind auch sogenannte anti-ferroelek- trische Stoffe, wie z. B. Blei-Zirconat geeignet, und zwar wegen ihrer hohen Gradienten der Dielektrizi- tätskonstante in Abhängigkeit der Temperatur in der Nähe des Curie-Punktes. Es ist auch möglich, ferro- elektrische Leistungsgeneratoren in Temperaturbe reichen unterhalb des Gefrierpunktes zu betreiben.
Ein geeigneter Stoff ist das sogenannte Rochell-Salz, welches seine Dielektrizitätskonstante in einem Ver- hältnis von 400 zu 1 ändert, wenn die Temperatur von -20 C auf +80 C übergeht.
Leistungsgeneratoren von der Art, wie sie in den Fig. 12 und 14 gezeigt sind, eignen sich insbesondere für Anwendungen, wo thermische Energie in grossen Mengen vorhanden ist, wie dies für die Sonnen energie zutrifft. Somit ergeben sich günstige Anwen dungen für thermische Energieumformer in Wüsten gebieten, wo thermische Energie in Form von Son nenstrahlung während langer Zeitperioden verfügbar ist, und auf dem Gebiet der Raumschiffahrt, wo Energieumformer von geringem Gewicht und relativ günstigem Wirkungsgrad benötigt werden.
Die Fig. 15 zeigt nun eine Umgestaltung der Schaltung nach Fig. 4, wobei die Notwendigkeit von Batterieleistung in Fortfall kommt. In der Schaltung nach Fig. 15 lädt die Batterie 4 das Energiespeicher element 1 über einen Ladeweg auf, welcher eine Haltediode 5 enthält. Nach der Zuführung von ther mischer Energie an das Element 1 wird die Ladung bei einer höheren Spannung über einen Entladeweg über die Diode 5 und die Belastung 6 an die Spei cherbatterie 4 zurückverschoben. Auf diese Weise wird die elektrische Ladung Q an die Batterie zu rückgegeben. Die aus der Belastung 6 und den Kon densator 16 bestehende Kombination muss, vergli chen mit der Dauer des Temperatur-Zyklus, eine hohe RC-Zeitkonstante aufweisen.
Die Fig. 16 zeigt eine andere Möglichkeit, um die Verwendung von Batterieleistung zu vermeiden. In dieser Fig. dient die Batterie 51 nur dazu, eine An zahl parallel geschalteter Umformer-Kondensatoren 52, 53 und 54 in den anfänglichen Ladungszustand zu versetzen und Ableitungen dieser Kondensatoren zu kompensieren. In Reihe mit der Batterie 51 ge langt ein hochohmiger Ladewiderstand 55 zur Ver wendung, um eine Entladung der Ausgangsströme durch die Batterie 51 zu vermeiden. Die Umformer Kondensatoren 52, 53 und 54 werden einem solchen Temperatur-Zyklus unterworfen, dass sie sich in einem gegebenen Augenblick an verschiedenen Stel len des Zyklus befinden.
Wenn angenommen wird, dass sich der Kondensator 52 auf einer relativ hohen Temperatur Tc' und der Kondensator 53 auf einer relativ tiefen Temperatur Tc befindet, dann findet eine Entladung des Kondensators 52 über die Diode 56 und die Belastung 57 und eine Entladung des Kondensators 53 und/oder 54 wegen der Potential differenz statt, welche dank der Temperaturdifferenz der verschiedenen Kondensatorelemente vorhanden ist. Beim nächsten Schritt findet eine Entladung des Kondensators 53 und eine Entladung des Konden- sators 52 und/oder 54 statt.
Die Dioden 58 verhin dern eine direkte Verteilung der Ladung des sich im Zustand der Aufladung befindlichen Kondensators und bewirken, dass die Ladung bei einem Potential über die Belastung 57 fliesst. Somit wird die totale Ladung zwischen den Kondensatoren in Umlauf ge halten, wodurch sich ein Gleichstrom in der Bela stung 57 ergibt und die Verwendung von Batterielei- stung nur zur Herstellung des anfänglichen Ladezu standes und zur Kompensation von Ableitverlusten benötigt wird.
Eine praktische Anwendung eines Energieumfor mers der anhand der Fig. 16 geschilderten Art liegt vor bei einem schwimmenden Körper oder einer Boje, wie sie in der Fig. 17 gezeigt ist. Die schwimmende Boje 60 weist verschiedene Linsen 61 auf, welche auf der Oberfläche der Boje verteilt sind, um Sonnen- Strahlung 62 zu sammeln.
In den Brennpunktebenen der Linsen 61 liegen ferroelektrische Kondensatoren 63 und werden abwechslungsweise aufgeheizt, wenn die Wellen ein Schwingen oder ein Drehen der Boje verursachen. Die nicht gerade einer Erwärmung unterworfenen Kondensatoren werden durch Wärme- ableitung an das Wasser gekühlt. Die Boje kann eine elektronische Ausrüstung, wie z. B. einen Radio sender oder einen Sonarsender tragen und gleich zeitig speisen.
Bei dem Aufbau der Boje mit der in dieser befindlichen Apparatur ist selbstverständlich darauf zu achten, dass der Schwerpunkt tief genug liegt, so. dass. die mit den Linsen versehenen Teile der Boje normalerweise oben liegen. Durch Verwen dung der Schaltung nach Fig. 16 in einer Anordnung gemäss Fig. 17 ist es möglich, eine relativ hohe Aus gangsleistung zu erzielen.
Es lassen sich ausserordentlich hohe Spannungen erzielen, wenn man mehrere Stufen von Umformer- Kondensatoren derart in Kaskade schaltet, dass die Ausgangsspannung einer vorangehenden Stufe zur Aufladung des Kondensators einer nachfolgenden Stufe verwendet wird.
Die Anordnung, welche diese Technik zur Erzeugung von hohen Spannungen ver wendet, ist in der Fig. 18 dargestellt. Diese zeigt vier Umformer-Kondensatoren 70, 71, 72 und 73, die an einem rotierenden Zylinder oder kugelförmigen Kör per 74 befestigt sind, welcher selbst die gemeinsame Aussenelektrode für die oben erwähnten Kondensa toren bildet.
Der Körper 74 wird an seiner höchsten Stelle durch eine Quelle 75 erwärmt und auf der Gegenseite durch eine Wärmesenke 76 auf eine ver- hältnismässig tiefe Temperatur abgekühlt.
In Betrieb lädt die Batterie 77 den Kondensator 70 über einen hochohmigen Ladewiderstand 78 auf. Hierauf wird der Körper 74 um 90 gedreht, so dass der Konden sator 70 durch die Strahlungsenergie 75 erwärmt wird, so dass die Spannung am Kondensator im Ver hältnis der durch die Erwärmung hervorgerufenen Änderung der Dielektrizitätskonstante erhöht wird.
An dieser Stelle wird dafür gesorgt, dass sich der Kondensator 70 über die Diode 80 in den Konden sator 71 entlädt. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Kondensator 71 ein Dielektrikum grösserer Dicke aufweist als der Kondensator 70, um wegen der erhöhten Spannungen einen Durchschlag zu vermei den und um die Kapazität des Kondensators 71 zu verringern. Da die in Umlauf befindliche Lage kon stant bleibt, muss bei zunehmender Spannung die Kapazität kleiner werden,
um die Spannungszunahme zu kompensieren, und dies geschieht eben dadurch, dass man die Dicke des Dielektrikum beim nachfol genden Kondensator vergrössert. Wenn der Körper 74 um seine Achse 81 rotiert, wird der Kondensator 71 erwärmt und über eine Diode in den Kondensator 72 entladen, welcher seinerseits erwärmt und in den Kondensator 73 entladen wird. Bei seiner Erwär mung wird der Kondensator 73 auf die höchstmög liche Spannung aufgeladen, und diese Energie wird über die Belastung 79 entladen, welche aus irgend einem Verbraucher, beispielsweise einem Teilchen beschleuniger, bestehen kann.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Anfangsladung durch die jeweilige Entladung in Umlauf versetzt, so dass keine Batterieleistung benötigt wird, abgesehen von der für die Anfangsladung und der Kompensation von Ladungsverlusten durch Ableitströme benötigten Leistung.
Die Fig. 19 zeigt eine weitere praktische Anwen dung von ferroelektrischen Eneregieumformern, wel che Barium-Titanat Elemente als Umformer oder Kühler verwenden. Die Fig. 19 zeigt zwei Bänder 85 und 86, die aus einer Anzahl gelenkartig miteinander verbundener Glieder 87 bestehen, die in einer gege benen Richtung durch die Kettenräder 88 bzw. 89 angetrieben werden. Das Band 85 wird durch das Kettenrad 88 angetrieben, welches seinerseits durch einen in der Fig. 19 nicht gezeigten Motor angetrie ben wird. Eine Anzahl kapazitiver ferroelektrischer Energiespeicher 90 sind mit gegenseitigem Abstand auf der Oberfläche der Bänder 85 und 86 angeordnet.
Die Glieder 87 können eine Elektrode, nämlich die Erdelektrode der Elemente 90 bilden, und in diesem Fall würden die Elemente 90 dann aus der geerdeten Elektrode 87, einem Dielektrikum 91 und aus einer zweiten Elektrode 92 bestehen. Gemäss den früheren Ausführungen wird eine Batterie 93 dazu verwendet, den Elementen 90 über eine Haltediode 94 eine an fängliche Ladung zuzuführen, und zwar in dem Au genblick, wo das Element 90 im Gegenuhrzeigersinn unter der Bürste 95 durchläuft. Nachdem die Ele mente 90 an der Bürste 95 vorbeigelaufen sind, wer den sie einer Strahlungsenergie 96 unterworfen, wel che beispielsweise von der Sonne herrühren kann, wodurch die Temperatur der Elemente 90 erhöht wird und damit die Spannung an diesen Elementen.
Wenn die Elemente 90 um das Leitrad 97 herum laufen, werden sie über eine Abnahmebürste 98 ent laden, welche die Entladungsenergie an einen Motor 99 abgibt, welcher mit Gleichstrom arbeitet. Der Eingangsstrom des Motors 99 kann selbstverständlich gesiebt werden, damit ein einigermassen konstanter Strom entsteht. Der Motor 99 ist mit dem Kettenrad 89 gekuppelt, welches das Band 86 antreibt, auf welchem die Energiespeicherelemente 90 angeordnet sind. Die Elemente 90 auf dem Band 86 werden aus der Batterie 100 oder von der Abnahmebürste 98 über eine Bürste 101 aufgeladen, wodurch die Tem peratur der Elemente 90 erniedrigt wird, wie dies vorstehend schon für einen Wärme-Absorber, also ein geschlossenes System, beschrieben wurde.
Das im Uhrzeigersinn drehende Kettenrad 89 führt die Ele mente 90 in einen geschlossenen Raum 102, der durch eine Wand 103 begrenzt ist, wobei es sich bei Raum 102 um irgend einen Raum oder eine Kammer handeln kann, welche zu kühlen ist. Die Elemente 90, die sich wegen der Ladung auf einer Temperatur befinden, die kleiner ist als die Umgebungstempera tur, nehmen aus dem geschlossenen System 102 ther mische Energie auf. In der Nähe des Leitrades 108 ist die Temperatur der Elemente beinahe oder ganz auf die Umgebungstemperatur abgesunken, und an dieser Stelle werden die Elemente über die Bürste 104 in die Belastung 105 entladen.
Nach dieser Ent ladung werden die Elemente auf dem Band 86 aus dem geschlossenen System 102 herausgeführt, und sie strahlen thermische Energie 106 bei einer höheren Temperatur als der Umgebungstemperatur ab, und zwar in die Umgebung der Atmosphäre 107.
Die Belastung 105 könnte selbstverständlich eine Batterie sein, welche dann zur Speisung des Motors verwendet werden könnte, welcher das Band 85 an treibt. Es sind selbstverständlich Varianten der An ordnung nach Fig. 19 möglich. So könnte beispiels weise jedes zweite Element der Elemente 90 auf eine entgegengesetzte Polarität aufgeladen werden, indem man zwei Batterien und zwei Bürsten verwendet.
Bei einer über eine einzige Bürste erfolgenden Entladung könnte somit dem Band 85 ein Wechselstrom ent nommen werden, dessen Frequenz durch die Ge schwindigkeit des Bandes bestimmt ist. Diese Ge- schwindigkeit ist andererseits bestimmt durch die thermische Trägheit der Elemente 90.
Es ist zu erwähnen, dass ferroelektrische Energie- Speicherelemente durch Verwendung dünner Filme sowohl für den elektrischen Teil als auch in metalli schen Elektroden hergestellt werden können.
Eine derartige Konstruktion geringen Gewichtes, und die Verfügbarkeit von thermischer Energie in freiem Raum machen derartige Umformer zu idealen Gerä ten für Aussenraumanwendungen, und ausserdem vergleichen sich solche Geräte gegenüber anderen Energiequellen in vorteilhafter Weise, und insbeson dere dann, wo elektrische Leistung während einer langen Zeitdauer zur Verfügung stehen soll.