DE-102024132020-A1 - Vorrichtung zur Direktumwandlung von Strahlung oder Wärme in elektrische Energie

Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft einen Stromerzeuger zur direkten Umwandlung von Strahlung und/oder Wärme in eletrische Energie. Der Stromerzeuger umfasst drei parallel zueinander voneinander beabstandet angeordnete Kondensatorelemente (11, 12, 13), wobei zwei der Kondensatorelemente einen Treibkondensator bilden, der auf eine Treibspannung (U C ) aufgeladen ist, wobei jedes der Treibkondensatorelemente (11, 12) je eine Kondensatorfläche aus oder beschichtet mit einem leitenden Material ist oder aufweist, und das dritte Kondensatorelement (13) im Wesentlichen parallel zu einer ersten der beiden Kondensatorflächen des Treibkondensators auf einer von der zweiten Kondensatorfläche (11) abgewandten Rückseite oder einer der Rückseite gegenüberliegenden Vorderseite dieser Fläche (12) angeordnet ist, und mit der ersten Treibkondensatorfläche (12) über einen Spannungsabgriff (14a, 14b) miteinander verbindbar oder verbunden sind.

Inventors

• Annette Tegtmeier
• Hans-Dieter Tegtmeier

Assignees

• Annette Tegtmeier
• Hans-Dieter Tegtmeier

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241104

Claims (18)

1. Stromerzeuger umfassend drei parallel zueinander voneinander beabstandet angeordnete Kondensatorelemente (11, 12, 13), wobei - zwei der Kondensatorelemente einen Treibkondensator bilden, der auf eine Treibspannung (U C ) aufgeladen ist, die insbesondere ausreichend hoch ist, um im Zwischenraum zwischen drittem (13) und erstem Kondensatorelement (12) vorhandene freie Ladungsträger zu einem der Kondensatorelemente (11, 12) des Treibkondensators zu beschleunigen, und wobei jedes der Treibkondensatorelemente (11, 12) je eine Kondensatorfläche aus oder beschichtet mit einem leitenden Material ist oder aufweist, und wobei die erste und die zweite Kondensatorfläche (11, 12) insbesondere galvanisch mit einer Spannungsquelle (40) verbunden sind, welche die Treibspannung (U C ) liefert, und - das dritte Kondensatorelement (13) ◯ im Wesentlichen parallel zu einer ersten der beiden Kondensatorflächen des Treibkondensators auf einer von der zweiten Kondensatorfläche (11) abgewandten Rückseite oder einer der Rückseite gegenüberliegenden Vorderseite dieser Fläche (12) angeordnet ist, und ◯ mit der ersten Treibkondensatorfläche (12) über einen Spannungsabgriff (14a, 14b) miteinander verbindbar oder verbunden sind.
2. Stromerzeuger nach Anspruch 1 , wobei das dritte Kondensatorelement (13) auf der Rückseite der ersten Kondensatorfläche (12) angeordnet ist.
3. Stromerzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , wobei zur Spannungsstabilisierung parallel zum Spannungsabgriff (14a,14b) zwischen dem dritten Kondensatorelement (13) und der ersten Kondensatorfläche ein Stabilisierungskondensator geschaltet ist, wobei insbesondere eine Kapazität des Stabilisierungskondensators 100 nF oder mehr, insbesondere 1 µF oder mehr, beispielsweise genau 1 µF beträgt und/oder größer oder gleich einer Kapazität des Treibkondensators ist.
4. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder beide der Kondensatorflächen (11, 12) des Treibkondensators gleichmäßig eben oder gekrümmt, insbesondere die Kondensatorflächen (411, 412) des Treibkondensators winkelförmig sind oder das erste Kondensatorelement (512) eine Wicklung auf dem dritten Kondensatorelement (513) und die erste Kondensatorfläche die Oberfläche dieser Wicklung (512) ist.
5. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dritte Kondensatorelement (13, 213, 313, 513) flächig oder stabförmig ist.
6. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Kondensatorfläche (211, 311, 511) des Treibkondensators zylinderförmig oder halbzylinderförmig ist, und insbesondere die erste Kondensatorfläche (212, 312, 512) ebenfalls zylinderförmig und insbesondere konzentrisch zur zweiten, auf deren Innenseite angeordnet ist, wobei der Stromerzeuger weiterhin insbesondere ein stab- oder zylinderförmiges, bevorzugt konzentrisches, im Innenraum bzw. auf der Innenseite des zweiten Kondensatorelements angeordnetes drittes Kondensatorelement aufweist, wobei insbesondere die erste Kondensatorfläche durch eine um das dritte Kondensatorelement gewickelte Metallfolie gebildet ist.
7. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kondensatorelemente und -flächen auf gegenüberliegenden Seiten eines eine gewünschte Form aufweisenden Trägersubstrats aufgebrachte Metallschichten sind, wobei das Trägersubstrat insbesondere ein dielektrisches Material ist.
8. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dritte Kondensatorelement aus einem Metall oder einem Metalloxid mit einer niedrigen Austrittsarbeit besteht oder damit beschichtet ist, insbesondere Kalzium, einer Legierung aus Wolfram und Thorium, aus Kalziumoxid, Bariumoxid, oder Strontiumoxid.
9. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Zwischenraum zwischen dem ersten und dem dritten Kondensatorelement ein Zusatzelement, insbesondere ein mittels thermischer oder photoelektrischer Anregung Ladungsträger bereitstellendes Kathodenelement, aus einem Metall oder einem Metalloxid mit einer niedrigen Austrittsarbeit vorhanden ist, insbesondere aus Kalzium, einer Legierung aus Wolfram und Thorium, aus Kalziumoxid, Bariumoxid, oder Strontiumoxid, wobei insbesondere das dritte Kondensatorelement oder das Zusatzelement (530) ein radioaktives Element enthält, insbesondere Uran oder Thorium
10. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Kondensatorfläche eine parabelförmig gebogene Platte ist, welche auf der dem Kathodenelement zugewandten Rückseite reflektierend bzw. spiegelnd gestaltet ist, z.B. mit Silber beschichtet ist, und ein stab- oder zylinderförmiges drittes Kondensatorelement in einer Brennlinie, in welcher parallel auf die Rückseite des ersten Kondensatorfläche einfallende Strahlen gebündelt werden, angeordnet ist, wobei das dritte Kondensatorelement insbesondere auf einer der ersten Kondensatorfläche zugewandten Seite schwarz und/oder auf der ersten Kondensatorfläche abgewandten Seite reflektierend, z.B. mit Silber beschichtet ist.
11. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen der ersten Kondensatorfläche und der zweiten Kondensatorfläche und/oder Abstand zwischen dem dritten Kondensatorelement und der ersten Kondensatorfläche kleiner als 0,1 mm, insbesondere kleiner als 20 µm ist.
12. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Spiegel der derart geformt und angeordnet ist, dass elektromagnetische Strahlung einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, insbesondere der Sonne, auf das dritte Kondensatorelement und/oder den freien Raum zwischen dem ersten und dem dritten Kondensatorelement konzentrierbar und hierdurch zwecks thermischer und/oder photoelektrischer Freisetzung von Ladungsträgern das dritte Kondensatorelement und oder ein oder mehrere im Zwischenraum zwischen erstem und drittem Kondensatorelement befindliche Elemente mit geringer Elektrodenaustrittsarbeit erwärmbar sind.
13. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Einrichtung zum kontrollierten Abführen von an den Kondensatorelementen anfallender Wärme.
14. Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Kondensatorfläche und/oder das dritte Kondensatorelement zumindest auf der dem jeweils anderen Element zugewandten Seite Feldkonztrationsvorsprünge aufweist, insbesondere in der Form von Kegel oder pyramidenförmigen Spitzen und/oder Graten mit dreieckigem Querschnitt.
15. Vorrichtung zur direkten Umwandlung von elektromagnetischer oder radioaktiver Strahlung und/oder Wärme in elektrischer Energie umfassend mindestens einen, insbesondere zwei oder mehr parallel oder in Reige geschaltete, Stromerzeuger gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an den Spannungsabgriff eine Last (R L ) angeschlossen ist und eine Wärme- und/oder Strahlungsquelle zum Erwärmen zur Erzeugung freier Ladungsträger vorhanden ist und wobei insbesondere ein Kondensatorelement oder ein Zwischenraum zwischen Kondensatorelementen des Stromerzeugers durch Beeinflussung durch radioaktive und/oder elektromagnetische Strahlung Ladungsträger freisetzt, wobei weiterhin insbesondere die Treibspannung (Uc) zwischen dem ersten und dritten Kondensatorelement des Stromerzeugers anlegbar und die Last (RL) an das erste und zweite Kondensatorelement des Stromerzeugers anschließbar ist.
16. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch umfassend einen Stromerzeuger mit einem elektromagnetische Strahlung konzentrierenden Spiegel, wobei dieser in einem zur Sonne hin ausrichtbaren Gestell angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sie umfasst: - einen Stromerzeuger, bei dem das dritte Kondensatorelement und/oder ein Kathodenelement aus einem Bestrahlungsraumwinkel für von außen einfallende Lichtstrahlen zugängig ist, insbesondere indem es in einem Treibkondensator aus winkelförmigen oder halbzylindrischen Kondensatorflächen angeordnet ist, wobei der Bestrahlungsraumwinkel bevorzugt in etwa der vom dritten Kondensatorelement aus gegenüber dem Treibkondensator gelegene Halbraum ist, und - einen Lichtsammelspiegel, insbesondere einen Parabolspiegel, wobei das Kondensatorelement und/oder das Kathodenelement in einem Brennpunkt oder einer Brennlinie des Parabolspiegels derart angeordnet und orientiert ist, dass der Parabolspiegel von dem Element aus gesehen innerhalb des Bestrahlungsraumwinkels liegt, diesen insbesondere bevorzugt ausfüllt.
18. Ladungsdetektor umfassend einen Stromerzeuger nach einem der vorhergehenden Stromerzeugeransprüche.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von Strahlung, insbesondere radioaktiver oder elektromagnetischer Strahlung, sowie von Wärme in elektrische Energie, wobei die Vorrichtung keine mechanisch beweglichen Teile umfasst. Die Umwandlung von elektromagnetischer oder radioaktiver Strahlung in elektrische Energie wird vielfach noch über den Umweg thermischer Energie durchgeführt, d.h. die Strahlungsenergie wird eingesetzt, ein Wärmemedium zu erhitzen, welches dann direkt oder indirekt über Wärmetauscher angeschlossene Turbinen in Rotation versetzen, welche über eine Welle angeschlossene Generatoren antreiben, die schließlich die Bewegungsenergie in elektrische Energie in Form einer Wechselspannung und eines Wechselstroms umwandeln. Dies hat den Nachteil das zum einen ein sehr komplexer und damit aufwendiger und fehleranfälliger Aufbau von Nöten ist, der weiterhin auch eine große Zahl kostspieliger Komponenten beinhaltet. Zur Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung direkt in elektrische Energie sind Solarzellen bekannt, die Halbleiter mit zwei dünnflächigen Schichten, je eine P- und eine N- dotierte Schicht, umfassen, in denen die eintreffenden Photonen zunächst Elektronen und Lochpaare erzeugen, die in der Grenzschicht an den Halbleitern bestehenden Raumladungszone getrennt werden und so zum Aufbau einer Spannung und einem Stromfluss führen. Solarzellen haben den Vorteil, ohne bewegliche Teile auszukommen, sind jedoch aufgrund der verwendeten Materialien und der Anforderungen an die Reinheit vergleichsweise aufwendig in der Herstellung. So wird als Halbleiter häufig kristallines Silizium eingesetzt, das nur unter speziellen Laborbedingungen gezüchtet werden kann. Solarzellen aus amorphem Silizium haben im Vergleich hierzu ein wesentlich geringerer Wirkungsgrad. Zum Dotieren der P- und N-Schichten des Halbleiters werden zudem seltene Erden eingesetzt, die oft schlecht verfügbar und vergleichsweise teuer sind. Die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie ist mittels eines thermoelektrischen Generators möglich, häufig auch als Peltier-Element benannt nach dem französischen Physiker Jean Peltier. Peltier-Elemente können sowohl zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz per Beaufschlagung mit einem Strom verwendet werden (Peltier Effekt), aber eben auch zur Erzeugung einer Spannung und eines Stromflusses bei Beaufschlagung des Elements mit einer Temperaturdifferenz. Letzterer Effekt wird auch als Seebeck-Effekt bezeichnet, nachdem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck, welcher ihn im Jahr 1821 entdeckt hat, als er zwei unterschiedliche Metalle verband und eine der Kontaktstellen erwärmte und die andere abkühlte. Ein Nachteil von Peltier Elementen, die den Seebeck Effekt zur direkten Umwandlung thermischer in elektrische Energie verwenden, liegt in ihrem niedrigen Wirkungsgrad. Heutige Thermoelemente erreichen selbst bei Verwendung von Halbleitern statt Metallen Wirkungsgrade im lediglich einstelligen Prozentbereich. Bei der Verwendung von Halbleitern ergibt sich jedoch das gleiche Problem wie bei Solarzellen, nämlich dass die dafür verwendeten Rohstoffen selten und die zur Züchtung der Halbleiter nötigen Verfahren aufwändig und damit teuer sind. Es besteht daher ein Bedarf an technischen Lösungen zur direkten Umwandlung von Strahlungs- oder Wärmeenergie in elektrische Energie. Vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zu finden, welche mit einfachen Mitteln eine direkte Umwandlung von Strahlungs- oder thermischen Energie ermöglicht. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Stromerzeuger nach Anspruch 1 und einer Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 27 welche in den jeweiligen Unteransprüchen weitergebildet werden. Die zentrale Idee des erfindungsgemäßen Stromerzeugers besteht darin, dass ein geladener Kondensator, nachfolgend auch als Treibkondensator bezeichnet, durch sein Außen- oder Streufeld die zwischen einem weiteren Kondensatorelement und einer der Kondensatorflächen des Treibkondensators vorhandenen Ladungsträger, in Richtung einer der Kondensatorflächen beschleunigt, welche dabei als Sammelplatte oder Kollektorplatte dient, ähnlich der Kollektorplatte einer Vakuumröhre. Vorliegende Erfindung benötigt jedoch für ihr funktionieren kein Vakuum. Die Ladungsträger sind dabei, in der Regel Elektronen, da diese ungleich leichter aus dem Material eines Kathodenelements, welches mittels der vorhandenen Wärme- oder Strahlungsenergie erwärmt wird, herauslösbar sind. Als Kathodenelement dient im einfachsten Fall das weitere Kondensatorelement selbst. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch ein weiteres Element, etwa eine Stange oder Platte des gleichen Materials wie das weitere Kondensatorelement oder eines anderen Materials, bevorzugt eines Materials mit einem niedrigen Wert für die Elektronenaustrittsarbeit, vorhanden sein. Zur Ermöglichung des Ladungsausgleichs ist ein etwaig vorhandenes zusätzliches Kathodenelement galvanisch mit dem weite