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

Abstract

The electricity generator has heater (1) that is provided for generating microwave. A discharge vessel (2) is provided for housing of plasma and filled with substances such as mercury or mixture of noble gases with sulfur for electrical discharges. An rectenna (3) is provided for the extraction of electrical power from plasma. The heater, discharge vessel and rectenna are connected with three-port circulator (4) so that the microwaves from heater are passed to rectenna so as to generate electrical energy from microwaves.

Description

Translated fromGerman

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 inWO 2008/018877 A2 benannt worden. Gemäß diesem Stand der Technik kann ein plasma-basierter Konverter für optische Strahlung in drei Komponenten mit den drei wesentlichen Funktionen eingeteilt werden:

• 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.

There are devices and methods with this concept already in WO 2008/018877 A2 been named. According to this prior art, a plasma-based optical radiation converter can be divided into three components with the three essential functions:

• 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 gemäßWO 2008/018877 A2, woraus zitiert wird:
„Eine konventionelle Gleichstrom-Bogen-Entladung wird über einen Vorwiderstand R₁ durch eine Quelle mit der Spannung U₁ versorgt. Der Bogen13 der Plasmazelle100 brennt zwischen den Elektroden11, versorgt über die elektrischen Leiter12. Die zu wandelnde optische Strahlung30 tritt durch das Fenster in die Plasmazelle100 mit der innenverspiegelten Wand10. Das stationäre Magnetfeld20 senkrecht zur Hauptachse des Plasmas13 (Verbindung der Elektroden11) führt zur „magnetischen Blasung” des Plasma. In dem gekrümmten Bogen13 ist das Eigenmagnetfeld auf der Bogeninnenseite stärker als auf der Bogenaußenseite, was zur Ladungstrennung führt. Diese Ladungstrennung wird durch zusätzliche inhomogene Magnetfelder B(x, y, z) unterstützt, typografisch dargestellt mit20. Mit zwei weiteren Elektroden40 wird dieser Strom I₂ über die Leitung41 ableitbar für einen angepassten Verbraucher mit Widerstand R₂. Elektrotechnisch entstehen zwei Stromkreise, die durch die Plasmazelle100 führen. Die Plasmazelle100 besitzt zwei elektrisch gespeiste Elektroden der ersten, primären Gasentladung und die beiden weiteren Elektroden, zwischen denen eine Spannung U₂ über das Plasma erzeugt wird. Diese zweite, sekundäre Gasstrecke bedarf ggf. einer zusätzlichen Zündung zur Erlangung der selbständigen Gasentladung, insbesondere einer Feldemission von Elektronen an die Elektroden. Die zu wandelnde optische Strahlung wird in die zweite Gasstrecke bzw. in die Kreuzung der beiden Gasstrecken fokussiert.” (Zitatende)Thedrawing 1 shows a converter, called plasma cell, according to the prior art according to WO 2008/018877 A2 , from which is quoted:
"A conventional DC arc discharge is supplied via a series resistor R₁ by a source with the voltage U₁ . Thearc 13 theplasma cell 100 burns between theelectrodes 11 supplied by theelectrical conductors 12 , The optical radiation to be converted 30 enters the plasma cell through thewindow 100 with the internally mirroredwall 10 , The stationarymagnetic field 20 perpendicular to the main axis of the plasma 13 (Connection of the electrodes 11 ) leads to the "magnetic blast" of the plasma. In thecurved arch 13 the internal magnetic field is stronger on the inside of the arc than on the outside of the arc, which leads to charge separation. This charge separation is supported by additional inhomogeneous magnetic fields B (x, y, z), typographically represented by 20 , With twomore electrodes 40 this current is I₂ over theline 41 derivable for a matched load with resistance R₂ . Electrotechnically, two circuits are created by theplasma cell 100 to lead. Theplasma cell 100 has two electrically powered electrodes of the first, primary gas discharge and the two other electrodes, between which a voltage U_{2 is} generated via the plasma. This second, secondary gas line possibly requires an additional ignition to obtain the independent gas discharge, in particular a field emission of electrons to the electrodes. The optical radiation to be converted is focused into the second gas line or into the intersection of the two gas sections. "(End of quote)

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 inWO 2008/018877 A2 benannt. Im Fall der Mikrowellen-Lampe ist gemäßWO 2008/018877 A2 der in solchen Lampen beobachtete Skin-Effekt für die zweckmäßige und notwendige Ladungstrennung im Konverter auszunutzen. Dazu soll gemäßWO 2008/018877 A2 die Elektroden zur Energieentnahme konzentrisch ausgebildet werden.It is a xenon short arc lamp and also the electrodeless microwave-fed lamp as such starting points for embodiments in WO 2008/018877 A2 named. In the case of the microwave lamp is according to WO 2008/018877 A2 to exploit the observed in such lamps skin effect for the appropriate and necessary charge separation in the converter. In addition, according to WO 2008/018877 A2 the electrodes for energy extraction are formed concentrically.

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 in2 gezeigt ist.The object is achieved by a generator as shown schematically in FIG 2 is shown.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Generator gelöst, dessen wesentliche drei Komponenten, (1) Heizer mit Magnetron, (2) Entladungsgefäß mit Plasma und (3) Endstufe mit Rectenna mittels einem elektrotechnischen passiven 3-Port-Zirkulator für Mikrowellenstrahlung derart verbunden werden, dass

• 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).

The object is achieved by a generator whose essential three components, ( 1 ) Heater with magnetron, ( 2 ) Discharge vessel with plasma and ( 3 ) Are connected to Rectenna by means of a passive electrical 3-port circulator for microwave radiation such that

• 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 (Matthaei, Young, Jones Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures, pp. 4–9, McGraw-Hill 1964). So arbeitet der erfindungsgemäße Konverter als durch den Zirkulator4 gekoppelter Verstärker, bestehend aus

• (1) elektrotechnischer Heizer1 (Mikrowellentechnik),
• (2)Plasma im Entladungsgefäß2 und
• (3) Rectenna (als Teil der Endstufe3).

As long as the plasma is only heated in the discharge vessel after ignition, so follows only the principle of operation of a microwave lamp, the circulator serves only to protect the heater from reflected back microwave radiation. On the third channel is an electrotechnically adapted rectenna as a load, ie serving as an absorber antenna for microwave radiation, which receives the reflected radiation. The load is in the case of operating a plasma in self-discharge of particular importance. If the microwave-heated plasma is in independent discharge (arc discharge) or in a similar avalanche-like discharge state, this plasma forms a negative differential resistance (NDR). This known situation means that discharge lamps with NDR require a series resistor or, in AC operation, an adapted load (also called ballast). In the circulator-type electro-technical arrangement according to the invention, the NDR of the plasma has an evanescent character, ie the original microwave radiation is amplified due to the NDR ( Matthaei, Young, Jones Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures, pp. 4-9, McGraw-Hill 1964 ). Thus, the converter according to the invention works as by thecirculator 4 coupled amplifier, consisting of

• (1) electrotechnical heater 1 (Microwave Technology),
• (2) Plasma in thedischarge 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, typischerweiseim Bereich von 100KHz bis 10 GHz und vorzugsweise 2,45 GHz,
• b) die Modulation der Magnetron-Frequenz, wie sie z. B. mittelsUS 4161459 erreicht wird,
• 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).

For this amplification process to work within the meaning of the invention, constructive interference of the incoming microwave radiation into the plasma together with the reflected microwave radiation from the plasma is necessary. It is expedient to ensure coordination between incoming and reflected waves for optimum constructive interference. The waveguide and the discharge vessel must be optimally formed on this constructive interference. Thus, the discharge vessel is suitably equipped with electrically conductive sheath, z. In the form of a metal grid to minimize leakage of microwave radiation from the discharge vessel. All parts of the converter that are responsible for the microwave transport satisfy the corresponding geometric and material-specific requirements. As an important vote for the counter-rotating microwaves in the second channel serve essentially

• 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 is achieved
• 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 (2) zeigt den erfindungsgemäßen Konverter101 im schematischen Aufbau. Der Heizer1 beschickt den Zirkulator4 mit Mikrowellen, die in einem Magnetron erzeugt werden. Der Zirkulator4 gibt richtungsgemäß die Strahlung zum Entladungsgefäß2. Das elektrodenlose Entladungsgefäß2 behaust das Plasma, das nach Zündung durch den Heizer1 gespeist wird. Das Entladungsgefäß hat eine kugelige Form mit zwei dünneren auslaufen Enden, was die Stabilität und Effizienz der Bogenentladung durch akustische Resonanz unterstützt. Gleichzeitig empfängt das Plasma von der einen Seite die Mikrowellenstrahlung des Heizers und von der anderen Seite die konzentrierte optische Strahlung. Das optische System zur (ultra-)hohen Konzentration der solaren Strahlung ist nicht gezeigt. Das typischerweise zweistufige System besteht aus (1.) einem gewölbten Spiegel und (2.) einem Concerator Parabolic Combound (aus Quarzglas). Eine Laserstrahlung kann auch unmittelbar ohne zusätzliche Optiken in das Entladungsgefäß mit Plasma geschickt werden. Die o. g. genannten Verspiegelungen des Entladungsgefäßes oder seiner unmittelbar angrenzenden Wände sind durch bekannte Prozesse zu bewerkstelligen. Die Entladung des Plasmas, welches elektromagnetisch sowohl vom UV-VIS-IR-Bereich als auch vom Mikrowellenbereich genährt wird, bildet durch seine selbständige Entladung (lawinenartige Erzeugung von Ladungsträgern) einen negativen differentiellen Widerstand aus. Dieser Typus Widerstand sorgt für eine Entdämpfung der Mikrowellenstrahlung, was eine Verstärkung der Reflexion der Mikrowellenstrahlung bedeutet und eine konstruktive Interferenz diesen Wellenleiter des zweiten Kanals als Resonanzraum nutzt. Die verstärkte Strahlung wird über den Zirkulator4 an die Endstufe3 des dritten Kanals weitergeleitet. Die Rectenna der Endstufe dient als Empfänger der Mikrowellenstrahlung. Die Impedanz-angepasste Elektrotechnik der Endstufe überführt die Energie der Rectenna in eine verwertbare Elektrizität.The drawing 2 ( 2 ) shows the converter according to theinvention 101 in the schematic structure. Theheater 1 feeds thecirculator 4 with microwaves generated in a magnetron. Thecirculator 4 Directionally, the radiation to thedischarge vessel 2 , Theelectrodeless discharge vessel 2 The plasma is treated after ignition by theheater 1 is fed. The discharge vessel has a spherical shape with two thinner ends, which enhances the stability and efficiency of the acoustic discharge arc discharge. At the same time, the plasma receives the microwave radiation of the heater from one side and the concentrated optical radiation from the other side. The optical system for the (ultra-) high concentration of solar radiation is not shown. The typically two-stage system consists of (1.) a domed mirror and (2.) a Concerator Parabolic Combound (made of quartz glass). A laser radiation can also be sent directly without additional optics in the discharge vessel with plasma. The above-mentioned reflective coatings of the discharge vessel or its immediately adjacent walls can be accomplished by known processes. The discharge of the plasma, which is electromagnetically nourished by both the UV-VIS-IR region and the microwave region, forms a negative differential resistance due to its independent discharge (avalanche-like generation of charge carriers). This type of resistance provides for attenuation of the microwave radiation, which enhances the reflection of the microwave radiation and constructive interference uses this waveguide of the second channel as a resonance space. The amplified radiation is transmitted through thecirculator 4 to thepower amplifier 3 forwarded to the third channel. The Rectenna of the final stage serves as a receiver of the microwave radiation. The impedance-adapted electrical engineering of the final stage converts the energy of Rectenna into a usable electricity.

Das Ausführungsbeispiel in3 greift das bekannte Design einer kommerziellen Mikrowellenlampe auf, welches in neuer Verwendung zum erfindungsgemäßen Konverter weiterentwickelt wird. Die Details der sogenannten Schwefellampe mit ihrer gesamten technischen Vorrichtung und Versorgung sind offenbart und gut dokumentiert, insbesondere durch
(i) Dolan J T, Ury M G and Wood C H 1993 Lamp including sulfurUSA patent 5404076,
(ii)Menno van Dongen et al 1998 J. Phys. D: Appl. Phys. 31 3095,
(iii)C. W. Johnston, H. W. P. van der Heijden, G. M. Janssen, J. van Dijk and J. J. A. M. van der Mullen, A self consistent LTE model of a microwave driven, high-pressure sulfur lamp, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, 342–351 2002
(iv)C. W. Johnston et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 35 (2002) 2578–2585The embodiment in 3 takes up the known design of a commercial microwave lamp, which is further developed in new use for the converter according to the invention. The details of the so-called sulfur lamp with its entire technical device and supply are disclosed and well documented, in particular by
(i) Dolan JT, Ury MG and Wood CH 1993 Lamp including sulfur USA patent 5404076 .
(Ii) Menno van Dongen et al 1998 J. Phys. D: Appl. Phys. 31 3095 .
(Iii) CW Johnston, HWP van der Heijden, GM Janssen, J. van Dijk and JJAM van der Mullen, A self-consistent LTE model of a microwave-driven, high-pressure sulfur lamp, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, 342-351, 2002
(Iv) CW Johnston et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 35 (2002) 2578-2585

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 dichtim 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 sulfur lamp, with its typical design and operating conditions, meets some requirements for further development as part of the converter of the invention:

• • 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.

When the lamp is reused as part of the converter, the following requirements can advantageously be dropped and the requirements for the converter can be fulfilled:

• • 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 in3 zeigt den erfindungsgemäßen Konverter in teils schematischer und teils anschaulicher Darstellung. Die optische Strahlung zur Speisung des Konverters150 kommt z. B. von einem gewölbten Spiegel, der bereits die solare Strahlung in erster Stufe konzentriert. Das Concentrator Paraobolic Combound (CPC)128 ist als nicht-abbildende Optik für eine weitere Stufe zur hohen Konzentration optischer Strahlung geeignet und kann als Vollmaterial ausgelegt sein. Am Fuße des CPC wird die höchste Konzentration erreicht, die bei einigen Tausend bis einigen Zehntausend der unkonzentrierten Strahlung liegt, vorzugsweise bei Zehntausend. An diesem Ort liegt das Eintrittsfenster für die Strahlung, um in das Entladungsgefäß2 zu gelangen. Das Entladungsgefäß2 als kugeliger Quarzglaskolben mit 16 mm Radius ausgelegt, wobei zwei gegenüberliegende Auswölbungen der eigentlichen Idealform zwei abgerundete Enden gibt. Diese dienen mit Kenntnis und neuer Verwendung vonUS 4983889 der Ausnutzung akustischer Resonanz zur Konzentration des Plasmas. Das Entladungsgefäß ist passgenau in einen metallischen Block125 eingelegt, der wiederum über Zu- und Abläufe126 mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird. Der Block125 umfasst das Entladungsgefäß2 jedoch nicht im unteren Bereich (Siehe dazu4, rechte Seite), um den Zugang zum Wellenleiter122 barrierefrei zu lassen. So kann die Mikrowellenstrahlung aus dem Zirkulator140 und den Wellenleiterteilen122 und122 kommend zum Entladungsgefäß2 gelangen. Der obere Teil des Entladungsgefäßes wird eng mit dem leitfähigen Block125 umfasst, damit Strahlungsverluste minimiert werden. Das Wellenleiterteil127 besitzt einen variable Rückwand123 um eine Feinabstimmung der Resonanzkammer vorzunehmen. Auch für diese Aufgabe sind die Justagestifte124 im Wellenleiterteil121 installiert. Wie oben erklärt wird erfindungsgemäß eine Verstärkung der Mikrowellenstrahlung durch konstruktive Interferenz der zum Plasma laufenden und der von ihr reflektierten Welle erreicht. Dies begründet sich auf den negativen differentiellen Widerstand des Plasmas in selbständiger Bogenentladung.The embodiment in 3 shows the converter according to the invention in a partly schematic and partly vivid representation. The optical radiation for feeding theconverter 150 comes z. B. of a domed mirror, which already concentrates the solar radiation in the first stage. The Concentrator Paraobolic Combound (CPC) 128 is suitable as a non-imaging optics for a further stage for the high concentration of optical radiation and can be designed as a solid material. At the foot of the CPC, the highest concentration is reached, which ranges from a few thousand to a few tens of thousands of unconcentrated radiation, preferably tens of thousands. At this location is the entrance window for the radiation to enter thedischarge vessel 2 to get. Thedischarge vessel 2 designed as a spherical quartz glass bulb with 16 mm radius, with two opposite bulges of the actual ideal form are two rounded ends. These serve with knowledge and new use of US 4983889 the use of acoustic resonance to the concentration of the plasma. The discharge vessel is precisely fitting in ametallic block 125 in turn, via inlets andoutlets 126 is cooled with a cooling liquid. Theblock 125 includes thedischarge vessel 2 but not in the lower area (see 4 , right side) to access thewaveguide 122 barrier-free. So can the microwave radiation from thecirculator 140 and thewaveguide parts 122 and 122 coming to thedischarge vessel 2 reach. The upper part of the discharge vessel gets tight with theconductive block 125 includes, so that radiation losses are minimized. Thewaveguide part 127 has avariable back wall 123 to fine tune the resonance chamber. Also for this task are theJustagestifte 124 in thewaveguide part 121 Installed. As explained above, according to the invention, an amplification of the microwave radiation is achieved by constructive interference of the wave traveling to the plasma and the wave reflected by it. This is due to the negative differential resistance of the plasma in self-contained arc discharge.

Der Zirkulator140 wird über den Wellenleiter112 mit Mikrowellen aus einem Magnetron111 mit 2,45 GHz gespeist. Der Magnetron wiederum wird mit Hochspannung aus dem Netzgerät110 gespeist. Dieses erhält ein Feedback zur Regelung aus dem Mikrowellendetektor132. Das zentrale Bauteil zur Rückgewinnung der Mikrowellenenergie ist die Rectenna131, die am dritten und letzten Kanal des Zirkulators140 sitzt. Die Rectenna dient als Absorber und Empfänger der Energie, welche über die Konditionierung133 in Strom und Spannung an einen elektronischen Verbraucher angepasst wird. Die Anpassung der Impedanz von110 und133 an das System zur Maximierung des Energieflusses aus der Endstufe bzw. die Optimierung der Effizienz bezüglich Heizer und Endstufe geschieht unter Zugriff auf den Detektor132 und direkten Abgleich von110 mit133.Thecirculator 140 is over thewaveguide 112 with microwaves from amagnetron 111 fed with 2.45 GHz. The magnetron in turn gets high voltage from thepower supply 110 fed. This receives a feedback to the control from themicrowave detector 132 , The central component for recovering the microwave energy is therectenna 131 , on the third and last channel of thecirculator 140 sitting. The rectenna serves as an absorber and receivers of the energy, which over theconditioning 133 in power and voltage is adapted to an electronic consumer. The adaptation of the impedance of 110 and 133 The system for maximizing the flow of energy from the power amplifier or optimizing the efficiency of the heater and power amplifier is done by accessing thedetector 132 and direct comparison of 110 With 133 ,

Die Komponenten110 und111 sind in2 als „Heizer”1 bezeichnet.Thecomponents 110 and 111 are in 2 as a "heater" 1 designated.

Die Komponenten131,132 und133 sind in2 als „Endstufe”2 bezeichnet.Thecomponents 131 . 132 and 133 are in 2 as "final stage" 2 designated.

Es sind Entladungsgefäße mit Fenstern in vielen Varianten bekannt.There are known discharge vessels with windows in many variants.

Ein Ausführungsbeispiel für Entladungsgefäß200 in4 ist eine hohle Quarzglaskugel mit typischem Innenradius zwischen 5 mm bis 24 mm, vorzugsweise 16 mm und einer Wandstärke von 2 mm bis 10 mm, vorzugsweise 8 mm.An exemplary embodiment ofdischarge vessel 200 in 4 is a hollow quartz glass sphere with typical inner radius between 5 mm to 24 mm, preferably 16 mm and a wall thickness of 2 mm to 10 mm, preferably 8 mm.

Die bevorzugte Füllung bei Raumtemperatur besteht aus

• • Schwefel einer Menge der Masse 5bis 150 mg, vorzugsweise 10mg bis 20 mg bei einem Radius von 16 mm,
• • 1bis 20 bar Xenon, vorzugsweise 9 bar Xenon, dessen Druck für die Wahl der Wandstärke des Entladungsgefäßes verantwortlich ist und
• • 100 mbar Argon als Zündhilfe.

The preferred filling at room temperature consists of

• 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.

For complete operation of the converter according to the invention

• 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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• WO 2008/018877 A2[0002, 0003, 0006, 0006, 0006]WO 2008/018877 A2[0002, 0003, 0006, 0006, 0006]
• US 4161459[0013]US 4161459[0013]
• US 5404076[0016]US 5404076[0016]
• US 4983889[0019]US 4983889[0019]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• Matthaei, Young, Jones Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures, pp. 4–9, McGraw-Hill 1964[0012]Matthaei, Young, Jones Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures, pp. 4-9, McGraw-Hill 1964[0012]
• Menno van Dongen et al 1998 J. Phys. D: Appl. Phys. 31 3095[0016]Menno van Dongen et al 1998 J. Phys. D: Appl. Phys. 31 3095[0016]
• C. W. Johnston, H. W. P. van der Heijden, G. M. Janssen, J. van Dijk and J. J. A. M. van der Mullen, A self consistent LTE model of a microwave driven, high-pressure sulfur lamp, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, 342–351 2002[0016]CW Johnston, HWP van der Heijden, GM Janssen, J. van Dijk and JJAM van der Mullen, A self-consistent LTE model of a microwave-driven, high-pressure sulfur lamp, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, 342-351 2002[0016]
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Claims (3)

Translated fromGerman

Elektrizitätsgenerator, in dem optische Strahlung, d. h. elektromagnetische Strahlung aus den Bereichen Ultraviolett, Sichtbar (Lichtstrahlung) und Infrarot, in elektrische Energie umgewandelt wird (nicht im Sinne einer konventionellen Solarzelle mit Potentialsprung oder -sprüngen), wobei der Generator im Wesentlichen aus folgenden Teilen besteht 1. einer Vorrichtung mit elektrischen Komponenten, hier „Heizer” genannt, zur Erzeugung von Mikrowellen zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines weitgehend optisch-dichten Plasmas, 2. einem Entladungsgefäß zur Behausung des genannten Plasmas, wobei seine Füllung aus Stoffen, wie Quecksilber oder vorzugsweise eine Mischung aus Edelgasen zusammen mit Schwefel bestehen, wie sie, für elektrische Entladungen geeignet sind und jeweils in Menge bzw. Partialdruck optimiert sind, um ein optisch dichtes Plasma zu erreichen, 3. einer Vorrichtung mit elektrischen Komponenten, hier „Endstufe” genannt, zur Entnahme von elektrischer Leistung aus dem genannten Plasma,dadurch gekennzeichnet, dass ein 3-Port-Zirkulator die dreigenannten Bestandteile über Mikrowellen-Wellenleiter mit seinen 3 Zugängen zweckmäßig verbindet, so dass 1. die Mikrowellen des Heizers durch den Zirkulator zu dem Entladungsgefäß geleitet wird, 2. die Mikrowellen das Plasma heizen, das Plasma in selbständiger Entladung brennt und einen negativen differentiellen Widerstand besitzt, mit dem eine Reflexion der Mikrowellen einhergeht und eine konstruktive Interferenz eine Verstärkung der Mikrowellen in Richtung des Zirkulators hervorruft und 3. der Zirkulator diese erhöhte Strahlungsleistung zum dritten Port weiterleitet, um dort auf eine Impedanz-angepasste Rectenna zu treffen, die als Absorber die Mikrowellen in eine verwertbare elektrische Leistung übersetzt.Electricity generator in which optical radiation, ie electromagnetic radiation from the ultraviolet, visible (light radiation) and infrared, is converted into electrical energy (not in the sense of a conventional solar cell with potential jump or jumps), the generator consists essentially of the following parts 1. a device with electrical components, here called "heater", for generating microwaves for generating and maintaining a largely optically dense plasma, 2. a discharge vessel for housing the said plasma, wherein its filling of substances such as mercury or preferably one Mixture of noble gases together with sulfur exist, as they are suitable for electrical discharges and are each optimized in quantity or partial pressure to achieve a visually dense plasma, 3. a device with electrical components, here called "final stage", for removal from electrical power de m mentioned plasma,characterized in that a 3-port circulator connects the dreigenannten constituents via microwave waveguide with its 3 accesses appropriately so that 1. the microwaves of the heater is passed through the circulator to the discharge vessel, 2. the microwaves the Plasma heating, the plasma burns in self-discharge and has a negative differential resistance, which is accompanied by reflection of the microwaves and constructive interference causes amplification of the microwaves in the direction of the circulator and 3. the circulator transmits this increased radiant power to the third port There to meet an impedance-matched Rectenna, which translates the microwaves as a absorber into a usable electric power.Elektrizitätsgenerator, in dem optische Strahlung, d. h. elektromagnetische Strahlung aus den Bereichen Ultraviolett, Sichtbar (Lichtstrahlung) und Infrarot, in elektrische Energie umgewandelt wird (nicht im Sinne einer konventionellen Solarzelle mit Potentialsprung oder -sprüngen), wobei der Generator im Wesentlichen aus folgenden Teilen besteht 1. einer Vorrichtung mit elektrischen Komponenten, hier „Heizer” genannt, zur Erzeugung von Mikrowellen zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines weitgehend optisch-dichten Plasmas, 2. einem Entladungsgefäß zur Behausung des genannten Plasma, wobei seine Füllung aus Stoffen, wie Edelgase, Quecksilber, aber auch Schwefel bestehen, wie sie für elektrische Entladungen geeignet sind und jeweils in Menge bzw. Partialdruck optimiert sind, um ein optisch dichtes Plasma zu erreichen, 3. einer Vorrichtung mit elektrischen Komponenten, hier „Endstufe” genannt, zur Entnahme von elektrischer Leistung aus dem genannten Plasma, dadurch gekennzeichnet, dass für die Komponenten Heizer und Entladungsgefäß auf eine Mikrowellenlampe nach Stand der Technik zurückgegriffen wird, die innerhalb des Generators ein neue Verwendung erhält.Electricity generator in which optical radiation, d. H. electromagnetic radiation from the ultraviolet, visible (light radiation) and infrared, is converted into electrical energy (not in the sense of a conventional solar cell with potential jump or jumps), the generator consists essentially of the following parts1. a device with electrical components, here called "heater", for generating microwaves for generating and maintaining a largely optically dense plasma,2. a discharge vessel for housing said plasma, wherein its filling consist of substances such as noble gases, mercury, but also sulfur, as they are suitable for electrical discharges and are each optimized in quantity or partial pressure in order to achieve an optically dense plasma .3. a device with electrical components, here called "final stage", for the removal of electrical power from said plasma,characterized in thatfor the components heater and discharge vessel to a microwave lamp according to the prior art is used, which receives a new use within the generator.Vorrichtung zum Zünden und Heizen eines Mikrowellen-gespeistes Plasmas in einem Entladungsgefäß, welches Schwefel enthält und gemäß US 5404076 funktioniert, dadurch gekennzeichnet dass diese Vorrichtung in Kombination mit einer Rectenna und weiteren Impedanz-Anpassungen und geometrischen Abstimmungen in neuer Verwendung als Plasma-basierter Elektrizitätsgenerator dient, der optische Strahlung wandelt.A device for igniting and heating a microwave-powered plasma in a discharge vessel which contains sulfur and functions according to US 5404076, characterized in that this device is used in combination with a rectenna and further impedance adjustments and geometric adjustments in new use as a plasma-based electricity generator that converts optical radiation.

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