Преобразователь энергии

 

Использование: электроэнергетика. Сущность изобретения: преобразователь тепловой энергии в электрическую содержит парогазосиловой и холодильный блоки, блок преобразования тепловой энергии в механическую энергию возвратно-поступательного движения намагниченного поршня и блок преобразования механической энергии движения поршня в электрическую энергию, которые конструктивно объединены в одном общем энергоблоке, выполненном в виде общего герметически закрытого вакуум-цилиндра. Имеются также гелио- или тепловые концентраторы и автоматическая система ориентации преобразователя на максимальную плотность солнечного потока. 7 ил.

Изобретение относится к области электроэнергетики, к технике переработки тепловой энергии газа или пара в электрическую энергию и использованию ее для электроснабжения космических летательных аппаратов, различных технологических систем или промышленных объектов народного хозяйства в земных условиях.

В литературе описаны различные типы преобразователей тепловой или механической энергии в электрическую источники тока: солнечные электрогенераторы (СЭГ); термоэлектрические электрогенераторы (ТЭГ); термоэмиссионные преобразователи (ТЭП); фотоэлектронные преобразователи (фотоэлементы, солнечные батареи); источники тока, использующие энергию атомного распада (атомные батареи) [1-8] Их основной недостаток малый к.п.д.

Электромагнитные генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, наиболее распространенный вид источников тока, основа современной энергетики. Они могут быть классифицированы по мощности, по назначению и особенностям эксплуатации (стационарные, транспортные, резервные и т.д.), по ряду первичного двигателя (дизель-генераторы; турбо- и гидрогенераторы), по рабочему телу (пар, газ, вода). Благодаря длительному теоретическому, конструктивному и технологическому совершенствованию характеристики этого типа источников тока достигли значений, близких к предельным. Их недостаток ограниченная область применения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототип) является преобразователь тепловой энергии в электрическую [9] Указанный преобразователь содержит газопаросиловой и холодильный блоки, рабочую вакуум-камеру с подвижным поршнем постоянным магнитом и рабочей средой, силовые катушки индуктивности, гелио- или тепловые концентраторы, автоматическую систему ориентации преобразователя энергии на максимальную плотность теплового, например солнечного потока, при этом парогазосиловой и холодильный блоки, блок преобразования тепловой энергии в механическую энергию возвратно-поступательного движения намагниченного поршня и блок преобразования механической энергии движения поршня в электрическую энергию конструктивно объединены и совмещены в одном общем энергоблоке, выполненном в виде общего герметического, закрытого вакуум-цилиндра, снабженного функциональными элементами, необходимыми для работы.

Одним из главных недостатков этого устройства является отсутствие органов управления параметрами системы и ее функциональными внутренними и внешними связями, автоматически обеспечивающих оптимальные выходные характеристики преобразователя тепловой энергии в электрическую.

Задачей изобретения является устранение отмеченного недостатка преобразователя.

Для решения поставленной задачи в преобразователе тепловой энергии в электрическую, содержащем перечисленные существенные признаки, дополнительно устанавливают нагнетающие и напорные управляемые клапаны, датчики давления и датчики наличия поршня, подвижные управляемые заслонки, накопитель электрической энергии и распределительные диоды.

На фиг. 1 показаны блок-схемы вариантов преобразователя энергии: а с двумя парогазосиловыми блоками; б с одним парогазосиловым блоком; на фиг. 2-3 варианты схем преобразователя энергии: на фиг. 2 с двумя газосиловыми блоками; на фиг. 3 с одним газосиловым блоком; на фиг. 4 вариант схемы герметической цилиндрической камеры, в которой объединены рабочие камеры теплового блока, холодильника и электромагнитного генератора; на фиг. 5 - качественные временные графики магнитного потока и ЭДС, индуктированное движущимся поршнем в одной из обмоток соленоидального генератора; на фиг. 6 вариант упрощенного устройства "бесклапанного" парогазосилового блока, совмещенного с рабочей частью блока электромагнитного генератора: а вид сбоку в разрезе; б сечение ПГС-блока; на фиг. 7, а, б варианты экспериментальных образцов преобразователя, пригодного для испытаний в земных условиях.

На чертежах (кроме фиг. 7) приняты следующие обозначения: 1 парогазосиловой блок; 2 электромагнитный генератор тока; 3 накопитель электрической энергии; 4 парогазовое рабочее тело; 5 поток тепловой энергии внешнего источника; 6 герметически закрытая цилиндрическая камера; 7 гелиоконцентратор; 8 подвижный экран теплового потока; 9 - электромагнитный клапан; 10 клапан; 11 реле давления; 12 катушки индуктивности; 13 цилиндрический поршень; 14 накопитель энергии; 15 - распределительный диод; 16 датчик положения поршня; 17 фланцевые соединения; 18 соединительные трубопроводы; 19 теплоизоляционные кольца; 20 обводные трубопроводы; 21 электромагнитный клапан; 22 кольцевой магнитопровод; 23 седло клапана и упорная шайба; 24 силовая катушка индуктивности, фиксирующая положение поршня; 25 внутренние радиатора ПГС-блока.

Преобразователь снабжен также автоматической системой ориентации на источник тепловой энергии (например, на поток солнечной энергии).

Как видно из фиг. 2 3, в рассматриваемом преобразователе энергии парогазосиловая установка, парогазовая машина и генератор электрической энергии конструктивно совмещены и объединены герметически закрытой цилиндрической камерой, снабженной двумя рабочими телами: парогазосиловой смесью и твердотелым поршнем постоянным магнитом, а также гелиоконцентраторами, катушками индуктивности, системой клапанов, датчиков, реле и накопителей электрической энергии. Основные термодинамические и электродинамические процессы протекают в преобразователе следующим образом.

Предположим (фиг. 1, б), в начальный момент времени поршень 13 в канале 6 занимает произвольное положение, а заслонки 8 закрывают оба конwа герметически закрытого цилиндра 6. Тогда клапаны 9, 10 свободны, во всех областях канала устанавливается постоянное минимальное давление и низкая температура, при которых рабочее тело газ (пар) находится в сниженном состоянии. Причем эта жидкостная среда занимает весьма малую часть объема всего цилиндра 6.

В исходном положении преобразователя экраны 8 перекрывают поток лучей 5 внешних источников тепла слева и справа, поэтому температура и давление газа в камерах минимальные, поршень 13 находится в левой части цилиндра, положение поршня фиксировано магнитным полем катушки 16, электроклапан удерживается током в закрытом положении (через контакты реле давления 11), клапан 21 (фиг. 4) закрыт.

В момент времени t₁ автоматически открывается, например, экран слева и тепловая энергия от внешнего источника тепла 5, усиленная тепловым концентратором 7, поступает на поверхность левой паросиловой установки. Когда температура и давление газа в ней возрастут до заданной (установленной) величины, срабатывает реле давления 11, контакты которого отключают электрореле и катушку фиксации поршня 16, клапан 9 открывается, освобожденный поршень под давлением пара перемещается в правое крайнее положение, совершая на своем пути механическую работу. В конце пути справа положение поршня 13 фиксируется полем и электромагнитными реле правой катушки 16, а контакты 10 замыкаются.

Для демпфирования поршня в конце пути служит трубопровод 20, соединяющий камеру паросилового блока и камеру рабочего цилиндра через электромагнитный клапан 21, управляемый автоматически (фиг. 4), когда поршень входит в пограничную зону, клапан 21 открыт и газ через трубопровод 20 частично поступает на фронтальную плоскость поршня, погашая его механическую энергию. Когда положение поршня фиксировано и в момент открытия клапана 9 клапан 21 закрыт.

В момент фиксации положения поршня справа автоматически экран 8 возвращается в исходное положение, закрывая доступ лучистой тепловой энергии к левому паросиловому блоку.

На этом заканчивается прямой рабочий ход поршня преобразователя.

Затем в течение некоторого интервала времени Δt происходит полное охлаждение всех блоков преобразователя, а параметры парогазожидкостной среды внутри цилиндра и камер восстанавливаются, принимают исходное значение. Охлаждение в интервале времени может быть естественное или принудительное.

Далее автоматически открывается правая заслонка (экран) 8, разогревается правый паросиловой блок, температура и давление в котором достигают заданных значений с помощью реле давления 11, справа открывают клапан 10, освобождают поршень и перемещают его в левое пограничное положение, где он тормозится и фиксируется.

Так заканчивается обратный рабочий ход поршня 13.

Затем процесс продолжается. Перемещаясь внутри по оси соленоидальных кольцевых катушек индуктивности 12, поршень постоянный магнит 13 индуктирует в них электродвижущую силу, пропорциональную индукции поля поршня, скорости его движения, числу витков катушки и величине воздушного зазора между ферромагнитным экраном 22 катушек и поршнем (этот зазор равен удвоенной толщине стенок рабочего цилиндра преобразователя).

Поскольку полярность индуктированной э.д.с. зависит от направления движения поршня, для заряда накопителей 4 используются два распределительных диода 15. При прямом ходе поршня заряжается один (например, правый) накопитель, при обратном ходе поршня заряжается левый накопитель.

Чтобы более эффективно нагревать парогазовую среду паросиловых установок в условиях Космоса, последние снабжены внутренними радиаторами 25.

Клапан 10 управляется давлением газопаровой среды. Теплоизоляционные кольцевые вставки 18 служат для уменьшения теплоотдачи парогазовых блоков по поверхности преобразователя.

Таким образом, в преобразователе тепловая энергия преобразуется в механическую энергию возвратно-поступательного движения, а последняя в электрическую энергию, накапливаемую в аккумуляторах.

Схема преобразователя энергии по фиг. 3 работает аналогично схеме по фиг. 1, б, но возвратно-поступательное движение осуществляется периодическим нагревом и охлаждением одного парогазосилового устройства с помощью периодического переключения управляемых электромагнитных клапанов 9. Преобразователь имеет одну заслонку 8, управляемую автоматически с помощью датчиков и реле положения поршня, а также датчиков и реле максимального давления.

На фиг. 4 показан схематично в разрезе герметически закрытый канал 6 с поршнем 13, обходными трубопроводами 20 и вспомогательными элементами автоматического управления преобразователем.

Преобразователь энергии, работающий в космических условиях, испытывает значительные инерционные силы реакции. Это следует, например, из закона сохранения количества движения. Частичная компенсация реактивных (инерциальных) сил возможна путем жесткого соединения двух или более идентичных параллельных рабочих каналов, в которых движение поршней происходит с фазовым сдвигом 2π/n Источники информации.

1. Апариси Р. Р. Гарф Б.А. Использование солнечной энергии. М. 1958. Использование солнечной энергии при космических исследованиях. Сб. ст. Пер. с англ. М. 1964.

2. Соминский М. С. Солнечная установка для использования солнечной радиации. М. 1966.

3. Ласло Т. Оптические высокотемпературные печи. Пер. с англ. М. 1968.

4. Вейнберг В.Б. Оптика в установках для использования солнечной энергии. М. 1959.

5. Андреев В.П. Сабинин Ю.А. Основы электропривода, 2-е изд. М.-Л. 1963.

6. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.-Л. 1958.

7. Бурштейн А.И. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. М. 1962.

8. Богородицкий А.Г. Пасынков Б.П. Тареев Г.К. Электротехнические материалы. М. 1986.

9. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. М. Машиностроение, 1985, с.366-367, рис. 176, с.с. 215-217, рис. 9.13.

Формула изобретения

Преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий газопаросиловой и холодильный блоки, рабочую вакуум-камеру с подвижным поршнем постоянным магнитом и рабочей средой, силовые катушки индуктивности, гелио или тепловые концентраторы, автоматическую систему ориентации преобразователя энергии на максимальную плотность теплового, например, солнечного потока, при этом парогазосиловой и холодный блоки, блок преобразования тепловой энергии в механическую энергию возвратно-поступательного движения намагниченного поршня и блок преобразования механической энергии движения поршня в электрическую энергию конструктивно объединены и совмещены в одном общем энергоблоке, выполненном в виде общего герметического закрытого вакуум-цилиндра, снабженного функциональными элементами, необходимыми для работы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нагнетающие и напорные управляемые клапаны, датчики давления и датчики наличия поршня, подвижные управляемые заслонки, накопитель электрической энергии и распределительные диоды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7