CN107429435A - 借助阳光组合制造结构材料和发电的组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助成束的阳光同时生成碳纤维和电流的组件，以便以对CO₂友好的方式制造压力和拉力稳定的建筑材料。能效原理是，直接利用成束的阳光加热需制造的碳纤维，这由此来实现，即原始的PAN纤维在氧化过程和热解过程中变成深色并且最后几乎成为黑色体。在此产生的热接下来或同时用于发电，以制备纤维材料，这相当于经典的力‑热‑结合原理，以通过该过程在碳纤维制造时额外地提高已经很高的能效并且以高品质的电的形式储存能量。

Description

借助阳光组合制造结构材料和发电的组件

技术领域

本发明涉及一种用于借助阳光由碳同时制造的建筑材料和发电的组件。本发明基于申请号为09796616.2的欧洲专利申请的基本原理，该欧洲专利申请描述了如何从大气或海洋中呈CO₂形式的碳中以压力并且应力稳定的方式在碳纤维和硬岩石(例如文献EP 10620 92)的基础上生成建筑材料和结构材料，其中，碳纤维来自水藻油并且所需要的制造能量来自于成束的阳光。本发明说明了这一点在技术方面和财务方面如何实现。

背景技术

现代社会和为此必要的工业制造设备和具有建筑、交通工具和机械仪器的现代生活水平的消费品现在不再考虑压应力不稳定和拉应力不稳定的材料，如同迄今通过例如钢筋混凝土，钢，玻璃和铝的材料来覆盖的那样。然而生产该材料(该材料由人人工提供)需要大量能源用于其生产，该能源现在仅由此可以获得足够的量，70％-80％的化石燃料供应该能源。其中，始终释放越来越多的CO₂，因此，即使再生产生的能源上升，因为，世界经济继续持续进步。此外，鲜为人知的事实是，水泥、钢材和铝的生产过程受限于CO₂排放，该排放不可通过其它方法避免：在燃烧石灰用于生产水泥时产生CO₂，在生产钢材时通过焦炭混合到钢水中产生CO₂和在生产铝时通过浸渍石墨电极到熔融铝中产生CO₂。该部分CO₂排放附着在生产该材料中，也当需要的生产能源100％来源于可再生能源时。

针对目前无可争议的全球气候变暖的背景，由此相关的大气温度提升通过人为引起的温室气体增加少于2K，理想的是，在巴黎2015协定COP21中相比较工业化以前的时代限制到1.5K并且，可能时，尽可能快地回到工业化之前的值，除了通过可再生能源(减轻)减少温室气体排放之外重要的是同时取走和保存碳可持续性-尽可能持久的。在一种脱碳的意义中来说，然而在负排放的意义中，这在产生正排放情况下可以来补偿并且而尤其也可用作长期，这已经在工业-时代产生的排放再次回到地球中。这种存储应该是简单的，安全的，无风险和以少量能量消耗的。由此希望，当可简单接近储存的碳并且可以按需求重复使用部分时。因为碳回到固定物态是耗费能量的，必须尽可能能源效率高地执行该生产并且理想地可以与其它过程相结合并且并行于或同时于形成碳相关方法产品用于其它目的，例如同时通过力-热联合产生材料和电流。

因为现有的全球经济的碳回引费用可能以现有的可使用的技术在合理期限内以可实现的成本仅经过几千年来完成并且在此通过相关联的氧气需要相当多的空间或者高的气体压缩，必须开发新的机构，使得人为原因的二氧化碳排放的回引在大约300到最迟400的合理期限中以固定形式并且无氧气成分地来执行，这大约与时间段(约翰·沃尔夫冈·冯·歌德再种植德国森林)相对应，在这在该时间几乎完全被砍完之后，因为木材不仅用于取暖，而且用于金属生产。

使用煤炭在这里提供必要的便利，使得可以保护和再种植森林，然后这再次引起气候变化。因此，工业化引起的长期损害不是新的并且其长期消除也不是，例如歌德和其同时代的人通过当时再次完整的德国的森林的努力被证明是令人感动的。

在容忍期限内在负排放情况下的未来的脱碳应当利用本发明列入可能性中，使得首先生产中性CO₂并且然后使CO₂负排放并且已实现再循环排放。为此能源生产必须同时可再生，提升能效并且引入无CO₂排放的原料生产，使得文献09796616.2建议和同时在材料生产中或同时在理想情况下，如果在建筑材料自身中可能的话形成碳。而文献09796616.2的目的是描述从整体的角度的基本程序步骤，当前发明的目的用于，能效可以具体和实际地提升必要的倍数。在通过文献09796616.2描述的方式生产材料可以由此是“清洁的”，当碳纤维基于水藻油而不再像到现在一样基于石油来生产并且在这种过程链的末端处碳剩余地保持在长期形成的形式中时。为此不显示以现有的太阳能收集器和风能收集器-技术所需的再生能源的量，对此缺少至少两倍的用于生产适合的碳纤维量的能源的量。该两倍能效可以至少利用当前发明来产生。

仅可能，当碳自身成为建筑材料和需要的碳纤维以高能效的方式借助于阳谷来生产时，相比较这现在利用PV-或者CSP设备可能的。仅在该情况中，针对源自过去的二氧化碳-排放的完全回引的所希望的条件通过经济性自身和控制未来的排放来提供。

因此，现在不可以施加对此需要的能源，因为通过PV-设备仅以接近18％的效率来利用太阳能并且这借助于在太阳热能-发电站的成束的太阳光仅以大约30％的效率来工作，剩余的所获得的太阳能以热量的形式损失，其中，针对碳纤维所需的显著的生产能源的量，以代替当前使用的建筑材料钢、混凝土和铝，在高能效情况下目前世界年度总能源需求几乎消耗以电流形式的大约140.000TWh。通过在这里建议的过程，大部分在传统太阳热能-发电站损失的热量基本上首先用于生产碳纤维并且热量紧接着用于产生电流，在此像这样的该电流被称作“副产物”。在会聚太阳能之后，前置于产生电流的材料生产过程并且全部的热量(包括现在生产电流时损失的热量)首先用于碳纤维生产的碳化过程。由此，实现三倍提升能效。本发明涉及，技术上实施这个。

在文献09796616.2中描述的大气和海洋脱碳和同时稳定地在需产生的由碳纤维制成的建筑材料中形成碳的方法中，生物圈通过整个过程链包括大部分再生生产的建筑材料摆脱二氧化碳，相比较在生产时产生的。对此其中最重要的是，提供足够的海平面用于产生水藻和必要时附加的地表面用于产生合适的植物油。

作为合适的建筑材料和稳定持续的碳汇建议上面提出的理由如下在这里一致地使用碳纤维，因为这以杰出的方式用作建筑材料并且同时以该形式影响气候地形成碳，尤其然后，当其用于碳纤维生产必需的原材料由植物油来生产时。原材料例如是源自聚丙烯腈(聚丙烯腈纤维)的纤维，该纤维现在在相对简单的过程中由石油和纺纱解决方案来生产。该输出解决方案未来利用水藻油来生产，这技术上没有任何不同。该解决方案在纺纱电解槽中通过大量细喷嘴冲压并且在该过程中织成薄纤维。该薄的、不停生产和在纺纱电解槽中编织的聚丙烯腈-纤维紧接着继续运输、洗涤、干燥、拉伸和表面处理过，在其在约300℃的烘箱中氧化和紧接着在热解-过程中在除氧情况下在800℃到1800℃或者3000℃的情况下碳化之前。该过程的原理不是新的，然而现在基于化石产地的材料，其中，过程能源上利用电流来驱动。在碳化时几乎全部聚丙烯腈纤维组成部分、例如屈拉龙-排气到碳成分上并且重新编织碳原子成极端拉应力稳定的原子晶格。成品根据质量由95％到98％的以碳纤维形式的纯碳制成。

发明内容

本发明提出了借助于成束的阳光在新研发的阳光-弹簧反应器(C-Reaktor)中进行部分高成本的氧化及碳化。与其他材料不同，在此纤维材料不是像钢、水泥或铝那样在大缸、锅或盆中首先加热成松散或液体形式，而是首先在相对冷的环境下制成细的无头的纤维束，该纤维束以固定并且几乎抗拉的形式输送给加热过程并且因此易于带入例如抛物面镜棱镜的焦点中并且在其中继续前进。仅纤维状的材料-稠度实现了简单、有效并且实际的在镜子或棱镜的焦点中的运动，以借助阳光加热材料本身，前提调节是，纤维的颜色实现了最初的加热，这通过起始时明亮且反光的PA纤维利用深色染料的染色来实现。继续加热纤维的前提条件，该纤维在后续方法中在高温下氧化，其中染料燃烧并且失去其作用，由此确保，纤维在下一步氧化过程中总是更深并且在碳化过程中由于碳含量的上升而黑色的程度加深。这加强了材料将光转换成热的能力并且因此光输出的能效随着颜色逐渐加深而上升到高于90％。碳化过程本身有利于上升到对于碳化来说足够的温度，另一方面，根据过程必须输出产生的热以保护设备和所需的输送器械，并且产生的热接下来用作发电的再生产品。人们实际上已经认识到，没有其他材料可以在满足条件的情况下将尽可能多的光转换成热，因为碳作为黑色体几乎是完美的，以几乎完全在直接再生能源的基础上使得制造过程的能量密集的部分有效并且同时可用作高价值的建筑材料。不能同时高能效且对环境友好地生产与已知的材料相比具有重量和应力可靠性优点的建筑材料。通过利用直接的阳光加热材料如铝、钢或水泥生产是不可能这么有效且易于实现的。

也因此，碳纤维是有趣的，因为碳纤维在应用和供应方面容易操作并且尤其在数百万年间由于稳定的物态保持惰性，因为在材料在正常环境条件下保持或保持的时候，由于高的制造温度难以起反应。

因此，可以成本低廉且无风险地储存材料，而不会不受控地回到环境中。

因为生产这种化学温度的碳纤维与相应高的能量使用相关联，该能量必须不仅对CO₂友好，当从生物圈以某种方式取出碳时，则在大气中产生碳集中、负平衡，这就是现今可供使用的技术和财务成本，而制造必须高能效。

出于该原因，提出了一种方法，因为对于制造碳纤维所需要的热解过程直接在由成束的阳光产生的直接热的作用下进行，在其中，需生产的材料本身受光而非电流加热，其中，同时，在纤维碳化之后的过程中产生的热可用于发电。产生的电流可用于剩余工艺步骤中的一些并且过量部分可用于通常的供电。

为了达到必须的高热解温度，借助于抛物面镜或棱镜、如菲涅尔玻璃或其他聚焦的几何结构、如镜子和/或玻璃、石英玻璃使得阳光成束，其中，并不是绕过使用太阳能和传递同的汽轮机-发电机或PV设备产生电流而引起碳化能量，而是光直接照射到需生产的纤维上产生了热解能量。

在通过阳光加热碳线的同时使用太阳能产生电流，其功率与以下情况相比高三倍，即首先在太阳能发电子中发电，然后在将其用于碳纤维炉中以加热纤维，因为两个过程都具有热损失并且此外电流传输也带来功率损失。

所提出的组件使用至少45％的太阳能用于碳化并且所产生的热如上述说明的那样也可用于发电，其效率在沙漠约为30％，在寒带高原约为40％。以该方式，总计可使用约75％的可供使用的阳光，与现在约25％的情况下相比(因为在该对比情况中，制造碳纤维的能量利用率30％，扣除20％在碳化炉中的功率损失和热能损失)，这比起传统方法总效率提高了最大25％，在传统方法中，不直接、而是通过使用PV设备或传统的CSP系统来发电绕了弯路使用阳光。

在利用成束的阳光结合制造材料与发电的情况下，在沙漠地区，因此预计总能效的提升为3倍，在寒带高原功率可高达4倍。

该能效提升给经济提供了将1430千兆吨CO₂控制回到工业化前的数值的储备，而这利用现今的技术和经济结构是完全不可能实现的，因为由于缺少能效而要求超过1000年的时间段并且直至2100，1500或2000的目标是不能实现的。

而如果要在350年内实现这种情况，则迅速且稳定地走上使用碳纤维取代混凝土、钢和铝的路径，这种动机看起来明显更吸引人，因为碳纤维和硬岩石的组合现在已经比钢和混凝土的能效高2倍。

为了必须取代现今对建筑材料的需求量，如之后还想显示的那样，每年必须借助于例如海藻从约4千兆吨CO₂中制造处1.1千兆吨碳纤维。

制造1kg的碳纤维要求使用约360MJ或100kWh的能量。

为了制造1.1千兆吨的碳，因此需要110.000TWh的初级能量，这几乎相当于当今全世界对初级能量的需求。

Desertc计划显示花费高达4000亿欧元在2050年可实现年产能700TWh，基于该数据的计算显示，在效益提升3倍的情况下，这些能量能由50个Desertec量级的发电站产生。在这种理论模型计算中，每天约产生1千兆的碳纤维和35000TWh以电功率形式的能量，这约为2050年预期的全球耗电量。基于Desertec的计算，这种发电站的花费约为20万亿欧元，算上20年折旧，每年的成本约为10000亿欧元，这必须由全球社会筹措。如果每年的维修和运行费用按照10000亿欧元计算，则上述情况下花费了3.5％的世界经济总量，现在世界经济总量约为60万亿欧元。在此，使用能替代CO₂密集型材料的材料，每年能节约为了生产钢筋混凝土、钢和铝所使用的25000TWh初级能量，以及为了生产钢筋混凝土、钢和铝由此每年产生4.2千兆吨CO₂排放，这恰好是形成碳纤维要的水藻量。在此，每年产生的35000TWh电能覆盖了2050的世界电需求，即从2000TWh起至最大3000TWh每年的电需求，需要增加必要量的硬岩石，当然也要增加碳纤维，以替代每年25千兆吨的钢筋混凝土、0.8千兆吨的钢和4千万吨的铝。

已经证实，由碳纤维和花岗岩制成的复合材料建造的建筑如墙体(在HTW-Chur处研发)和梁可替代钢和铝，在最大6千兆吨的花岗岩中结合0.2至0.4千兆吨的碳纤维可整体替代钢筋混凝土，而0.2至0.4Gt碳纤维结合约0.5Gt可替代所有所需的钢。另外0.3Gt碳纤维可替代其他材料，如塑料和铝等。总体来说，最多需要1.1Gt碳纤维来替换所有会引起CO₂排放的材料。

为了替代钢筋混凝土、钢和铝，在文献EP 106 20 92提出了一种解决方案，使用切割的硬岩石作为矿物成分，因为能以小的耗能通过简单切割石块来制造。在碳纤维与矿物成分之间的连接通过树脂、例如环氧树脂或看矿物胶水例如水玻璃胶来实现。接下来会提到MCC，它代表矿物碳复合物(Mineral Carbon Composite)。代替碾碎并搅拌含有CO₂的石灰石成细粉以生产水泥，CO₂直接由石灰释放，三分之一为了制造混凝土所需的能量(其对应于生产钢所需要的能量的八分之一)来自于例如摸成泥浆的硬岩石块，并添加碳纤维，以相结合取代钢筋混凝土。

4千兆吨水泥(2013年的消耗)必须使用约20千兆吨砂石、黄沙和水以及约1千兆吨钢，以提供每年25千兆吨钢筋混凝土的需求量

如欧洲专利申请文献08850169.7所述，由于花岗岩具有与铝几乎相同的比重并且在复合材料中具有更轻的碳，MCC的重量比铝轻，所以通过预应力将所需的柔性带入MCC复合材料中，钢本身和铝也可以用MCC代替。

模型计算显示，即使碳纤维最初是通过传统方法生产的，钢铁和铝在开始时也由MCC所需要，因为能效提升为2倍。如上所述，每年需要初级能源25.000TWh以生产钢筋混凝土、钢和铝，替代这些数量材料的MCC量需要最小量的碳13,500TWh，具有明显的优势，运输重量为2-3倍。然而，本发明不仅基于节能操作，而且也是尽可能地吸收尽可能多的CO₂，以尽可能快地调节气候系统。首先，使用尽可能低的碳纤维含量和最高可能的硬岩石比例，当C反应堆的数量增加时，碳纤维的比例相对于硬岩石的比例也应增加。

最初大约6千兆吨的花岗岩，直到后来，当碳含量上升时，4千兆吨花岗岩在技术上可以代替每年替代25千兆吨钢筋混凝土、1千兆吨钢和100兆吨铝，取决于在给定的时间内可产生多少碳纤维。这是由总共6-8千兆吨的MCC来实现，其由4-6千兆吨花岗岩、1.1千兆吨碳纤维和0.9千兆吨胶组成。

参考为了基于水藻油生产碳纤维消耗世界经济3.5％，以成本-因子计算为了生产MCC所需要的树脂和水玻璃胶，用于替换铝、钢和钢筋混凝土的碳纤维、树脂和石头总共约为对于生产MCC所需的树脂或水玻璃，对最终产品的加工和应用技术的进一步发展，全球经济营业额的7％是必需的。

占世界经济的15％的份额，经济的产业结构调整在20-30年内将在财政上可以实现，而没有损失经济利益，因为钢铁和铝加工业的其他部门占据显著的份额并且其材料将被这7％的世界经济所取代。Desertec的成本还表示，这7％的世界经济将足以满足未来电力需求上涨的成本，因为上述情况涵盖2050年所需的电力，但我们的模型计算是基于从2013年的经济数据开始的。到2050年，由于世界人口的增加，经济将再次大幅增长，这也鼓励了产业结构调整的融资。

由于碳材料和电力的综合生产，能效提升了3倍，发电站能力达到了50个Desertec发电站。当可获得所需要量的藻类油时，以可实现的成本从海洋和大气中可最多形成1.1千兆吨的碳纤维形式的碳。这意味着在可预见的400年时间内，可以持续回收388千兆吨碳-相当于1430千兆吨CO₂的量。

所描述的情况不能立即实现。实施这个方案以保持平均全球变暖在2100年为2℃的时间在本专利中无法说明，因此为了进一步的开发和进一步的计算而保留。目的是在350至400年间将二氧化碳浓度降低为工业前水平，即使在短时间内可以预期到二氧化碳排放的进一步增加，直到可以引入这里描述的方法。

即使由于必要的启动时间而导致的实际情况最终可以替代这些目标的30％，也可以取代今天安装的钢、钢筋混凝土和铝70％，现今可能通过其他禁止CO₂的措施结束该差距，如通过引入为生物质的形式的碳，而不是清除进一步的原始森林来提取铝土矿来生产铝，从而采取措施，如雨林造林和土壤再生。在任何情况下，都应保持雄心勃勃的350年目标，以限制2100年气候研究所需的2°目标，并将其限制在最大1.5℃。

世界范围内的海洋面积需要生产1.1千兆吨碳纤维(相当于每年4千兆吨的二氧化碳)所需的藻类约为全球分布的2百万平方公里，对应于阿根廷的面积。为了生产所需的树脂，即使树脂由短期和中期结合CO₂的水藻油制成，也再增加相同的面积。藻类油中的树脂的生产能量以及油的收集、运输和精炼已经包含在所需量的藻类中，用于该计算。

在本文提出的技术中，作为本发明的核心，纤维首先在镜子的焦点处由阳光加热，在氧气供应下氧化，并且在该过程的最后阶段被碳化。纤维或纤维线被加热的强度最初是不高的，因为该方法可应用于从最小尺寸到很强的强纤维束。许多微型或微型生产单元也是可以考虑的，它们大量并行工作。

为此，例如使用沿轴线(z轴)纵向为线性的镜子，该镜子在x-y平面中具有抛物面的形状。焦点(F)在线上处在恒定的xy坐标上。接下来将要条例线性的焦点或短焦点，其基本上不是一个点，而实际上是多个线性排列的焦点、即焦线。镜子由阳光反射并且在x-y平面上这样实施，使得抛物线的焦点始终受到阳光辐射。在该焦点中，需生成的纤维这样定位并且沿着焦线持续移动，其中，纤维始终都被加热。为此，为了制造碳纤维，将由聚丙烯腈、短PAN纤维组成的合适的原始纤维从线性抛物面镜的端部线性地引入抛物面镜的焦线并且以合适的速度沿着焦线在含氧气体中连续移动并受加热，直至首先浅色的PAN纤维氧化并且在该氧化过程中颜色变深，直至其随着氧化过程的结束在约300℃时变成很深的颜色。该纤维然后在无氧的情况下—例如主要由氮气组成的气体中—沿着焦线继续预定并且在热解阶段中在缺氧的情况下首先被加热到800℃，然后根据质量又被加热到1800℃或3000℃，直至碳化过程在线性抛物面镜的出口处结束。在此，被氧化的PAN纤维随着碳含量在热解阶段不断上升而颜色越来越深，并且该效果随着温度越来越高而不断加强，直至纤维开始变得灼热。此时温度必须从外部通过冷却来受控，以免所需的设备因为过热而受损。包围纤维线的气体必须是可透光的，以不阻碍纤维线的加热。为了输送该所需的气体介质，同样适用了呈矩形或圆柱形管道形状的透光的固定的管路。这些管路可由透视或透光的玻璃或另外的耐高温并且透视或透光的固体、如石英玻璃或耐高温的塑料制成。由于气体沿着焦线温度不断上升，玻璃管路壁部在热解阶段中必须受到外部冷却，由此玻璃管路壁部不会熔化。

该冷却利用在内管路壁部与另一管路壁部之间流动的气体或液体来实现，另一管路同意是透明的、矩形或圆柱形的管道。起冷却作用的气体或液体同意是透光或透明的，以使得光不衰减地穿过到达碳纤维线。在此，可使用空气、水或温度稳定的油、如硅油。热通过热交换器传递到水循环处，该水循环驱动汽轮机发电机以发电。

由于碳纤维线受重力作用不会张紧并且因此偏离焦点，碳纤维线必须受到引导。在氧化截段不存在材料问题，可使用合金钢用于引导，相应的材料应避免。在热解阶段，为了使纤维定心在焦点处的材料必须耐高温，其在相应所处的温度中不会熔化。为此提供了耐高温的材料，如钼或钨，其熔点高于在热解极端可达到的最高温度，或者其他材料。通过同心地布置在玻璃管道的壁部中的喷嘴，给燃烧室提供不断流入的引导管路气体，在氧化阶段中补给含氧的气体在热解阶段中例如补给氮气，以避免纤维因为氧气的氧化而燃烧并且结束碳化过程。

钨金属销在此不会被加热到约3400摄氏度的熔点，因为纤维在最高越3100摄氏度已完全碳化。

一旦达到所希望的热解温度，该温度必须根据所处的海拔保持在1500℃与30000℃之间。保持阶段随温度的高度而改变，温度越低保持阶段越久，而在低温时越短。因为纤维在相应的温度时本身开始辐射，应停止或完全停止通过成束阳光而进行的继续加热。为了使得纤维不会因为自身辐射而继续冷却，纤维在内反射的引导管道中继续引导，为此热能不会以辐射的方式对外辐射并且失去热能，这意味着，所需要的保持阶段中止或停止。在保持阶段之后，开始冷却阶段，因为制成的碳纤维的温度必须回到正常的环境温度。

因为引导管道必须很长，所以引导管道由多个相同的部分组装而成。利用此处说明的用于制造碳纤维的方法，在碳化阶段产生大量的热量，该热量在某一时间点或一定的时间点输出，为此一方面引导管道不会过热、不会熔化并且另一方面纤维在热解过程结束时能再度冷却。该冷却也可通过辐射来实现或通过辐射与内部和/或外部冷却剂的对流的混合冷却方式来实现。通过另一包围的管道确保热传输并且通过热交换器利用热量，以发电并且必要时余热还可用于加热，因为优选在寒带高原中实施本过程，此次发电的效益提升并且阳光的可供性优越，例如在秘鲁、玻利维亚或西藏的高原。

进一步地，被加热的、通过上文说明喷嘴引入弹簧管道的热解气体在管道的端部处以一定的规模被吸收，在管道的端部处碳纤维结束热解过程，以输出热解过程中释放的气体如水蒸气或氧气。该被加热的气体同样经由热交换器来冷却、清洁并且在相应的过程开始时又以冷却的状态输送回去。热交换器同样加热了驱动汽轮器的水循环。冷却的气体伺候通过上文说明的喷嘴回到碳化管道中，其中，在氧化阶段消耗的气体必须输送给气体。

通过所说明的组件将一次性获得三种积极的效果：

第一，通过纯可再生能源—在此为太阳能—提供用于制造碳纤维大量能量。因为通过加热很深色的黑色体获得能量，而不同通过发电或加热其他、略微变深色的黑色体，在技术和财务方面充分利用了可供使用的阳光获得能量并且能效最大化并且成本最有利。

第二，利用阳光不只制造了高价值的建筑材料，而且当有针对性地输出在碳化过程中产生的热并且经由热价唤起通过蒸汽轮机转换成电时，可利用在该过程中产生的热能通过太阳能发电站发电，例如借助传统的汽轮机。电在此是产出高价值的建筑材料和结构材料的额外的“副产物”。在此，还多余的并且不可继续用于发电的热可用于加热建筑，因为这种发电站优选地也因处在寒带地区如高原而不仅更好的安装，因为由于更大的温度梯度发电比起在热带沙漠地区更高效，在热带沙漠地区虽然太阳几乎直射，但由于可能的沙尘暴，敏感的墨绿和抛物面镜会因为细微的摩擦的沙子而受损。理想情况下，可在C反应器附近对碳纤维终产物进行后续加工。

第三，在生成材料和发电结合的方式中，产生了有能力从大气中持续吸收这样多碳的材料，即，在可预见的时间段内将CO₂浓度降低到工业化前280ppm的水平。以该方式，可在380的年总时间中，在约30年的启动时间中从大气和/或海洋吸收380千兆吨碳，而剩余350年时间每年生成1.1.千兆吨碳纤维，其生产基于植物油。在此，不考虑同样基于水藻油生产的树脂的吸收能力。

在如下的背景中，即2013年生产了约4千兆吨水泥和0.8千兆吨钢，以提供约25千兆吨钢筋混凝土，该总量可由明显更轻且负载更强的碳纤维取代，在如文献EP 106 20 92所述向碳纤维添加天然石块的情况下，比起生产耗能且产生大量额外的CO₂排放的水泥，天然石的获取耗能更少。但所希望的是，然而，碳纤维的比例将快速上升，以满足CO₂回归350年前的水平。全球经济有机会在上述情景下提升经济表现，以加快该进程。这将由经济增长本身来实现，在350年的计算中尚未考虑到这一点，并将由后人调查和利用这些可能性。本发明的目的是提出一个新的碳时代的原则-如果这些论据是合理的话-并且相反，可以认为，要与现有的工业和解而提出，如果有一个更安全的、驱动工业的机制来永久地从大气中吸收碳——如本申请中所指出的那样——人类一定范围内将为了一定的用途图继续生产钢铁和钢筋混凝土，例如在高达30％的范围内，如果CO₂排放总体平衡保持显着负值或至少在一段时间内CO₂排放为中立。只要采用基于碳的替代材料，在所说明的情况下，不需要严格接收排放拍照。但排放证书多半是必要的，以启动这些过程。

如果用于生产碳纤维的原料(PAN纤维)是从诸如植物油的植物原料中获得的，或者更好的是从藻类油获得的，则碳在碳纤维中结合，碳先前已经作为二氧化碳存在于大气中或海洋中，在此，植物或藻类生长的光合作用因释放氧气给自然越来越重要，因为氧气随着二氧化碳含量的增加而减少，这目前不成问题，但这可能使得肺通气在几百年内是不可能的。目前CO₂排放继续达到1000ppm水平。藻类必须被视为原料来源有2个原因。第一个原因是植物油的生产与目前不断增长的世界人口的粮食生产没有竞争。第二，这些藻类从海洋中吸收CO₂，CO₂会使得海洋酸化增加。

在这种情况下，碳材料的回收问题只是次要的，因为碳纤维产品在使用后可以简单安全地处理，因为碳在数百万年前处于绝对稳定的状态，并且因为——仅涂覆在石材表面——可以很容易地与天然石材分离开来。这是因为连接两个组分的树脂是机械上最弱的组分，并且基本上较硬的碳纤维层可以不需要大量的力量通过剥离从石层完全分离——与基本上较硬的玻璃纤维相反——而不需要撕裂。碳纤维在使用后简单地处理，花费少量的能力储存在地下，如德国或其他矿山的死煤层。

以这种方式，本发明生产的碳纤维可以对长期且安全的去除温室气体的地球工程作出重大贡献，其中，通过使用碳纤维作为替代CO₂密集的材料如钢铁和铝以及水泥的经济不仅不是不再作为环境污染者，，而是成为可持形成续碳的动力，形成的碳在使用后储存，直到有一天它可以被子孙后代重复使用。

因此，不再需要和处置的碳纤维以该方式可由未来几代人无需大的花费地重新激活，如果需要，作为有价值的碳储量，当例如太阳活动在数百年或数千年下降时，并且必须重新激活用于加热大气的碳、可通过燃烧成CO₂，由此实现了碳纤维—碳的长期封闭的循环过程中，其处理简单和安全。

因此形成了一个简单而又可持续的“摇篮到坟墓”，然后是“摇篮到摇篮”的原则，这对于大气和生物圈的最重要的功能在长期看来是必不可少的：对于植物的生产和保存肺和鳃呼吸来说可持续发展的碳和氧预算。

碳在地下深处层中的深埋，所谓的碳(氧化物)储存(CS)，与上述情况的背景不符，完全不合适并且不必要地解决CO₂问题。另一方面，为了在上述中期情况下有力地实现化学燃料的淘汰或封存，目前仍然需要对化石燃料进行燃烧，另一方面，与分离的二氧化碳也可以喂给algentanks，在目前仍需要燃烧化石燃料的情况下要消除并且封存CO₂，以实现在能源问题上的上文说明的中期情况下并且实现相关的工业转变，与此相应，封存的CO₂同样可输送给水藻桶中的人工水藻生长，这是十分有利的。

当将CO₂埋入更深的岩石层或被抽空或空的油或气源时，需要比储存纯碳多得多的空间，正如碳以95％以上的含量存在于碳纤维，因为每个碳原子将失去两个有价的氧原子。将纯碳纤维转移到空的煤矿中也是比能量密集地将CO₂埋入地球更加节能的过程，其中不仅有价值的碳不可逆转地落在地面上，而且到目前为止在讨论中被遗忘的氧气也落在地面上。二氧化碳中的氧气不可控制地消失，因为今天没有人能说，深埋的CO₂何时会回到大气中。

这里描述的发明相反地提供与碳和氧的受控和可控的对流。到目前为止全部的用于生产建筑材料的方法现在产生长期不受控的CO₂的量，消耗昂贵生产的电流和形成氧。借助于当前发明，该比例起源并且特别地逆转。介绍的方法产生完全再生生产的建筑材料和再生电流并且提供CO₂的控制-降低浓度，其中，释放生命攸关的氧气。

具体实施方式

在图1和图2中，本发明的四种可行的实施方案中的一种说明了具有传统的线性-抛物面镜(10)或备选地串联布置的菲涅尔-凸透镜或线性对齐的燃烧球的组件，而在其一个或多个焦点(F)中，与传统的基于成束的阳光(So)的传统发电站不同，不存在具有在其一侧处需加热的液体的、初级需加热的管道，而是存在用于制造碳纤维的需加热的原材料，例如呈图3中的聚丙烯腈纤维或短PAN-纤维(1a)，例如屈拉龙纤维。

这些纤维单个或成束地以一定的速度通过纵向构造的焦点(F)或成排的焦点，即沿着焦线(Z)引导并且在此由于成束的阳光(So)缓慢但持续地被加热。该过程持续这样长的时间，如碳纤维需要的那样，以从聚丙烯腈的原纤维中吸收用于直至300℃的氧化过程所需的热或者进行在缺氧的情况下直至1500-1600℃或直至3000℃的接下来的碳化过程。出于该目的，PAN纤维被引导至由例如玻璃、石英玻璃或陶瓷玻璃(2)制成的透明的管道中，在氧化阶段和碳化阶段中，用不同的、同样透明的气体(2a)在氧化阶段(图3)为并且在热解阶段(图4)为气体(2b)填充在这些透明的管道中。在图3的氧化过程中，纤维束处于含氧的气体混合物(2a)中并且在该过程中被加热到直至约300℃。包围纤维束的玻璃管道(2)在此不暴露于会使得管道冷却的关键温度，因为未达到玻璃的熔化温度。出于该原因，在该阶段借助于包围管道(2)的管道(4)可使用包围管道(2)的真空，以在该阶段避免不必要的热损失。在图3中示出，首先在氧化阶段如何引导PAN纤维线。引导环(5)以均匀的距离在氧化管道中通过由温度稳定的材料如合金钢、钨或钼制成的金属线保持在中点。PAN-纤维线的连续性来自于含氧的气体(2a)。环优选由温度稳定的、不会腐蚀的金属、钨或钼制成。金属线通过管道(7)引导，该管道穿过圆柱形管道(2)和(4)的壁部并且金属线(6)的长度经由卷绕辊子(9)来电动调节，以将纤维线保持在焦线上并且通过同时的气体(2a)向后补吹，以补充由于氧化过程消耗的氧气(8a)。

在碳化阶段(图4)中，需碳化或许形成的碳纤维(1b)处于由氮气填充的空间中，以防止进一步的氧化并且防止由于在热解过程中继续加热到首先800℃、然后直至1800℃或3000℃材料的燃烧，在热解过程中，碳原子(碳化)重新排列，这有利于碳纤维后续的高抗拉性和稳定性。因为透明的玻璃管道(2)-碳化管或热解管-在对于热解所需要的高温下会熔化，因为气体(2b)同样达到了高于管道(2)的熔化温度的温度-另一方面，该管道是必须的，以形成由氮气(2b)或另一种透明的无氧气体的连续地包围纤维线并且同时到纤维线上的成束的光在没有大光学阻力的情况下可通过玻璃管道的壁部到达纤维线，以加热纤维线-管道必须从外部通过透明的气体、例如空气或匹配的透明的液体、例如耐高温的硅油(3b)来冷却。出于该目的，内部的玻璃烧瓶由第二包裹的玻璃烧瓶(3)包围，使得该起冷却作用的气体或起冷却作用的液体(3b)有针对性地输出这样的热量，即，使得内部的玻璃管道(2)始终保持在低于其熔点的温度。

一旦该被加热过的、起冷却作用的气体或被加热过的、起冷却作用的液体(3b)在其字数利用热交换器使用了水循环用于其冷却，则从由此输出的热量利用传统的发电站技术、利用汽轮机驱动的发电机可产生电流。在碳化过程中产生的热因此同时可用于发电。

为了介质(3b)对发电的系统的热输出并且由此使得整体热损失尽可能小，在图4中示出，第三玻璃壁部(4)如何包围第二玻璃壁部(3)并且在两个外玻璃壁部之间的空间为真空(4a)。以该方式，最优地利用了在碳化时生产的热并且迄今为止低效率地借助电能进行加热实现碳纤维的碳化由通过氧化本身强化的黑化过程并且相应的加热来替代。

在图4和图5中示出了，纤维线在热解截段中如何通过在氧化阶段中温度直达800℃并且在热解阶段中温度直达1800℃的接下来的区域。引导环(5)以均匀的距离由同样由极耐热的材料如钨或钼制成的金属线(6)保持在热解管道(2)的中点。PAN纤维线的连续性在热解截段来自于不含氧的气体，例如氮气(2b)。环优选同样由耐热的钨或钼制成，钨或钼可承受高于热解温度的温度。金属销引导通过管道(7)，该管道穿过圆柱形管道(2)、(3)和(4)的壁部，并且金属线(6)的长度通过卷绕辊子(9)来电动调整。通过管道(7)同时补吹入氮气(8b),氮气在碳纤维线的出口处离开碳化管道并且得到清洁，以再次使用。

图7示出了在图8的热解-加热-区域中的碳化管道的横截面。

图8示出了整个碳化路段的步骤，以氧化阶段(11)开始，其中，借助抛物面镜或通过电加热输出对于PAN纤维氧化所需要的热能，通过热解-加热阶段(12)借助抛物面镜加热或保持阶段(13)利用内设镜子的管道，直至接下来的冷却阶段(14)，以及在区域(11)和(12)中的抛物面镜。热解区域(12)包围保持区域(13)，通过二者彼此间可改变的长度并且取决于纤维的热解温度和移动速度调节热解时间。

因为纤维在热解温度时本身又发出在可见光范围内的辐射，则由此阻止该反射，即在跟随加热阶段的保持阶段中，在热解管道的内部上设有全镜面(9a)(图6)，使得尽可能不损失辐射能并且热解温度在后续路段上不受到由于抛物面镜引起的补充加热而得到保持。在该路段中不需要抛物面镜，该路段仅需要内部或备选地外部管道的内镜面(9a)。在此，真空(3a)也提供了防止在保持区域中的热损失的所需绝缘。在温度保持阶段(13)之后跟随着冷却阶段(14)，在冷却阶段中可利用一层或双侧管道工作。通过冷却气体在内部管道中的对流、通过液体或气体在第二管道层中额外的对流(第二管道层不必是透明的，而可是实施成可吸光)或者通过利用透明的管道系统到黑色体上的辐射(黑色体用作热消耗系统中的热源，例如通过水来冷却，其中，加热的水同样可用于产生电流)进行冷却。

与首先通过传统的CSP抛物面镜技术产生电流、以用于碳化纤维的方法相比，所说明的组件首先在能效上提升了3倍，因为产生电流的效率由于热损失的原因最大为35％。因为在此说明的碳化反应器首先将至少45％的光转换成呈在碳纤维本身上的热形式的碳化能，则之后几乎双倍或更高的利用光，如在传统方法中，通过初级电流生成并且因为额外30％的热转化成电流能，光能的使用效率总体可达到75％。

利用该原理难以实现水泥锻造或炼钢，因为在能效明显更高、重量轻且碳人类起源结合的背景下，利用阳光制造碳纤维比起传统材料的制造更具有可持续发展性。碳纤维化石起源的制造与传统方式和方法相比具有工艺优越性，甚至由此大气首先不产生碳，而在引入该工艺开始时，如果当PAN纤维在开始时不从水藻油中而是从石油中制得一定的量，则温室气体排放显著缓和—由于更高的能量能效排放与该新方法相关，在利用碳纤维和自然化石的建造中今天已经必须的总能量比起在利用钢和混凝土的建造中低约50％，由此在新材料的实施阶段已避免CO₂排放(例如文献EP 106 20 92)。总能效的提高可为4倍。

Claims (17)

1.借助成束的阳光由塑料纤维制造碳纤维的组件，其特征在于，塑料纤维在透明的管道内作为平行束沿着聚光装置的焦线连续移动，并且通过其对于通过连续加热实现的氧化所需要的深色至光本身优化的能量洼地并且变成如下的黑色，即，纤维不许间接的加热，仅通过直接射入的阳光可被加热并且由此达到对于热解过程所需要的1800℃或更高的温度，使得随着碳化增加黑色持续增多，并且光转换到热的转换度逐渐增加，其中，通过相应的冷却从外部经由起冷却作用的气体或液体这样进一步控制所述过程，即，引导所述过程的管路或引导管道在由于高碳化温度的高温热解过程的加热阶段的范围内而不会熔化并且包围纤维线的管道系统受保护免于超过临界温度，并且其中，管道系统由内部的管道(接下来称作碳化管道)、碳化管道的区域(其中发生氧化过程，称作氧化区域)和碳化管道的区域(其中发生热解过程，称作热解区域)以及接下来的碳化管道的冷却区域组成。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，阳光辐射的光束借助于抛物面镜或凸透镜、如菲涅尔玻璃或其他聚焦的几何结构、如镜子、玻璃、石英玻璃或钻石或上述组合中的一种来产生。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述抛物面镜或凸透镜沿着直线或拱曲的焦线来布置。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的组件，其特征在于，需碳化的所述纤维作为单根纤维或纤维束在碳化管道中引导并且沿着所述焦线的中心运动，其中，所述碳化管道填充有透明的气体。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的组件，其特征在于，所述气体在热解管道中根据氧化阶段或热解阶段而包含氧气或不含氧气。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的组件，其特征在于，所述热解管道在加热区域中由用于冷却的第二透明的管道包围，其中，起冷却作用的透明的气体或起冷却作用的透明的液体在所述管道之间引导并且运动，气体或液体经由热交换器给传统的具有水汽轮器的发电站提供所需要的热能。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的组件，其特征在于，所述热解管道在所述氧化阶段和所述热解加热区域中借助于另一透明的管道壁部由隔热的真空包围。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的组件，其特征在于，从外部有针对性地这样冷却所述热解管道，即，使得在在该过程结束时纤维达到对于充分或完全碳化来说必须的温度，而热解管道的壁部不达到其熔化温度。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的组件，其特征在于，在所述热解管道的区域中，所述第二管道由第三管道或管路包围，其中，在所述第二管道与所述第三管道之间存在隔热的透明的气体或真空。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的组件，其特征在于，所述碳纤维线通过如下的材料沿着焦线保持在热解管道的中心，该材料具有比碳化所需的最高热解温度更高的熔点，例如耐高温的钢、钨或钼。

11.根据权利要求1至10任意一项所述的组件，其特征在于，在碳化管道处以均匀的距离布置有进口套管，通过该进口套管实施并且调整根据权利要求10的保持结构并且通过该进口套管可根据需求吹入调温且干净的气体，一方面必须填充该气体，因为由于PAN纤维的引入和制造好的碳纤维从所述碳化管中拉出，内腔不完全是气密的并且因为在氧化阶段中必须补充额外的氧气或者在热解阶段中输出水和氧气的浓缩物。

12.根据权利要求1至11任意一项所述的组件，其特征在于，所述PAN纤维在氧化阶段中为了加热通过阳光充分染色。

13.根据权利要求1至12任意一项所述的组件，其特征在于，而是在所述热解阶段中，在加热到最高温度的加热阶段之后跟随有保持阶段，在该保持阶段中，抛物面镜路段终止并且不发生另外的光能量输入，而是在所述热解阶段中带入灼热的碳纤维线由此保持灼热状态，使得所述碳化管道在该区段中由内部反射并且由于灼热的线而发生的到碳纤维线上的辐射被反射回去并且由于镜面温度保持恒定。

14.根据权利要求1至13任意一项所述的组件，其特征在于，在所述保持阶段，所述碳化管道由真空包围并且仅通过在所述管道中流动的氮气来冷却。

15.根据权利要求1至14任意一项所述的组件，其特征在于，在所述保持阶段之后跟随有冷却阶段，在冷却阶段中，所述管道备选地是透明的并且将辐射发出到黑色体上并且转换成热，或者所述管道是不透明的，而在该阶段中辐射不加热不透明的管道壁部，经由管道壁部借助对流输出热。

16.根据权利要求1至15任意一项所述的组件，其特征在于，在氧化、热解和冷却阶段的每个阶段中，每种形式的辐射能和热能经由热交换器输送给水循环，用以发电。

17.根据权利要求1至16任意一项所述的组件，其特征在于，所述透明的管道部分或者全部由石英玻璃、玻璃或塑料制成。