Способ получения резервной электроэнергии из солнечного тепла на поверхности планеты луна

Авторы патента:

Сидорцев Сергей Алексеевич (RU)

Шубин Игорь Любимович (RU)

Люцько Константин Владимирович (RU)

H01M14 - Электрохимические генераторы тока или напряжения, не предусмотренные в группах H01M 6/00-H01M 12/00

Владельцы патента RU 2446516:

Учреждение Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН) (RU)

Изобретение относится к энергетике, конкретно к барогальваническим генераторам для преобразования тепловой энергии в электрическую. Техническим результатом изобретения является повышение удельной мощности прямого преобразования солнечного тепла в электричество. Согласно изобретению способ получения резервной электроэнергии из солнечного тепла включает нагрев и перегрев рабочего тела в жидкой фазе в полости высокого давления, его ионизацию на границе: электрод высокого давления - электролит, переток ионов рабочего тела через слой электролита под действием градиента электростатического поля, рекомбинацию ионов рабочего тела на границе: электролит - электрод низкого давления рабочего тела и поступление рабочего тела в виде перегретого пара от электрода низкого давления в полость низкого давления, при этом в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, а полость низкого давления сообщают с вакуумом окружающей среды, в которую самопроизвольно выпускается перегретый пар низкого давления рабочего тела. 3 ил.

Изобретение относится к энергетике, конкретно к барогальваническим генераторам для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Известны способы преобразования солнечной энергии в электроэнергию (Б.Андерсон, «Солнечная энергия (Основы строительного проектирования)», М., Стройиздат, 1982 г.) [1].

Известен способ и устройство прямого преобразования солнечной энергии в электричество с помощью барогальванического преобразователя (С.А.Сидорцев «О барогальваническом преобразователе солнечной энергии в электричество и тепло», ж. «Гелиотехника» №3, 1984 г.) [2].

Способ прямого преобразования солнечного тепла в электричество [2] принят за прототип и обладает рядом перспективных достоинств, к которым следует отнести: высокую энергетическую эффективность, отсутствие движущихся частей, дешевое рабочее тело, малый удельный вес, поскольку в современных условиях электродный блок генератора может быть изготовлен с использованием новых наноматериалов (углеродных нанотрубок) и нанотехнологий.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения резервной электроэнергии из солнечного тепла на поверхности планеты Луна.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, это: 1 - повышение удельной мощности прямого преобразования солнечного тепла в электричество; 2 - выработка одноразового наперед заданного количества киловатт-часов электроэнергии.

Для решения сформулированной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе [2] получения электроэнергии путем прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в барогальваническом генераторе, расположенном в потоке солнечного излучения на поверхности планеты Луна, путем нагрева и перегрева рабочего тела в жидкой фазе в полости высокого давления, его ионизации на границе: электрод высокого давления - электролит, переноса ионов рабочего тела через слой электролита под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов рабочего тела на границе: электролит - электрод низкого давления и поступления рабочего тела в виде перегретого пара от электрода низкого давления в полость низкого давления, в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, а полость низкого давления сообщают с вакуумом окружающей среды, в которую самопроизвольно выпускается перегретый пар низкого давления рабочего тела.

Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения станут понятными при рассмотрении прилагаемых фигур.

Фиг.1. Функциональная схема барогальванического электрогенератора, в котором реализуется предлагаемый способ получения электроэнергии на поверхности планеты Луна: а) в начале работы генератора; б) в конце работы генератора.

Фиг.2. Изображение в T-S диаграмме (температура - энтропия): совокупность термодинамических процессов, характеризующих предлагаемый способ получения электроэнергии (сплошные линии) и термодинамический цикл способа-прототипа получения электроэнергии (пунктирные линии).

Фиг.3. Расчетные значения напряжений (V) и удельной мощности (W) на клеммах барогальванического электрогенератора, работающего по предлагаемому способу (сплошные линии) и способу-прототипу (пунктирные линии).

На фиг.1 изображено: 1 - токогенерирующая ячейка барогальванического электрогенератора; 2 - полость высокого давления перегретого жидкого рабочего тела (перегретого жидкого йода) с давлением P₁=2,5 атм, температурой Т₁=573 К, равной температуре, получаемой за счет сконцентрированной солнечной энергии на поверхности Луны с максимальной массой рабочего тела М_р.т.=max и объемом полости 2 - V=const; 3 - полость низкого давления с температурой T₁=573 K перегретого пара низкого давления рабочего тела и давлением Р₂=2,5·10^-6 атм (перегретый пар йода низкого давления); 4 - пористый электрод высокого давления; 5 - пористый (газодиффузионный) электрод низкого давления; 6 - электролит (например, йодистое серебро); 7 - дырчатая (перфорированная) стенка, ограничивающая полость низкого давления 3; 8 - самопроизвольное выпускание перегретого пара низкого давления Р₂=2,5·10^-6 атм (йода) с температурой T₁=573 К в вакуум окружающей среды в процессе выработки электроэнергии ячейкой 1; 9 - выходные электрические клеммы ячейки 1 электрогенератора; Q₁ - подвод солнечного тепла к ячейке 1 электрогенератора на поверхности планеты Луна.

На фиг.2 изображено: К - критическая точка; Х=1 - линия жидкого рабочего тела; (10-11-12-13-14) - совокупность термодинамических процессов, характеризующих предлагаемый способ получения электроэнергии: (10-11) - процесс нагрева твердого рабочего тела (кристаллического йода) от твердого состояния Т_тв. до температуры плавления Т_пл.=386,6 К с поглощением солнечного тепла Q₂; (11-12) - процесс плавления твердого рабочего тела и переход его в жидкое состояние при температуре Т_пл.=386,6 К с поглощением солнечного тепла Q₃ - теплоты фазового перехода; (12-13) - процесс нагрева жидкого рабочего тела (йода) при постоянном давлении Р₂=2,5 атм от температуры Т_пл.=386,6 К до температуры, получаемой за счет сконцентрированной солнечной энергии на поверхности Луны, равной T₁=573 К - температуре перегрева жидкого йода с поглощением солнечного тепла Q₄; (13-14) - процесс изотермической выработки электрической энергии в ячейке 1 при температуре T₁=573 К с поглощением солнечного тепла Q₅, при этом Q₁=Q₂+Q₃+Q₄+Q₅; 13 - точка на T-S диаграмме, в которой рабочее тело находится в перегретом жидком состоянии с температурой T₁=573 K и давлением Р₂=2,5 атм; 14 - точка на T-S диаграмме, в которой рабочее тело находится в виде перегретого пара низкого давления с температурой T₁=573 К и давлением Р₂=2,5·10^-6 атм; (15-16-17-18-19-20-15) - термодинамический цикл на T-S диаграмме способа-прототипа получения электроэнергии: (15-16) - процесс нагрева твердого рабочего тела (йода) солнечным теплом до температуры плавления; (16-17) - процесс плавления рабочего тела за счет солнечного тепла; (17-18) - процесс нагрева и перегрева жидкого рабочего тела за счет солнечного тепла; (18-19) - процесс изотермической выработки электроэнергии с поглощением солнечного тепла; (19-20) - процесс охлаждения перегретого пара рабочего тела; (20-15) - процесс изотермического перехода от сухого пара до твердого состояния рабочего тела (кристаллического йода).

Барогальванический электрогенератор работает по предлагаемому способу следующим образом.

Тепловая энергия сконцентрированного солнечного излучения Q₁ поднимает температуру ячейки 1 до температуры T₁=573 K, при которой находящееся в полости высокого давления 2 рабочее тело будет находиться в перегретом состоянии с давлением P₁=2,5 атм и температурой T₁=573 K.

Рабочий процесс токообразования в ячейке 1 состоит в ионизации жидкого йода высокого давления P₁ в полости 2 по реакции на границе: электрод 4 - электролит 6, перетоке ионов через слой электролита 6 под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов йода на границе: электролит 6 - электрод 5 по реакции в полости 3.

Расширение жидкого йода через электродный блок, включающий электроды 4 и 5 и электролит 6, происходит изотермически с поглощением тепла Q₅ (фиг.2, процесс (13-14)). Пар йода низкого давления Р₂=2,5·10^-6 атм (у прототипа Р₂ соответствует давлению упругих паров над твердым йодом при температуре T=300 K и составляет величину P′₂=2,5·10^-4 атм (Дж.Кэй, Т.Лэби «Таблицы физических и химических постоянных», физ-мат. литература, М, 1962, с 112)) через отверстия 8 стенки 7 будет уходить в вакуум окружающей среды на поверхности Луны. В вакууме отсутствует йод и поэтому в вакууме нет парциального давления пара йода - оно равно нулю. Ничто не будет препятствовать быстрому уходу перегретого пара йода от электрода 5 через отверстия 8 стенки 7 в вакуум окружающей среды вблизи поверхности Луны. Это давление Р₂ будет ниже давления упругих паров йода над твердой фазой P'₂=2,5·10^-4 атм. Поскольку в реальности давление Р₂ неизвестно, то примем его Р₂=2,5·10^-6 атм, отличающееся от P'₂=2,5·10^-4 атм на два порядка.

Электродвижущая сила токогенерирующей ячейки 1 определится по формуле:

где ΔG - перепад термодинамического потенциала Гиббса - Дж/моль;

Z - валентность иона йода, переносчика заряда в системе Z=2;

F - число Фарадея, 96500 Кл/моль ≈10^-4 Кл/моль;

R - газовая постоянная, ;

P₁=2,5 атм; P₂=2,5·10⁶ атм; T_т.я.=T₁=573 K. Подставляя значения величин в формулу (1), получим напряжение на клеммах 9 ячейки 1 генератора:

Удельная мощность на клеммах 9 ячейки 1 генератора определяется формулой:

где J - плотность тока на электродах 4, 5, А/см².

В качестве электролита примем йодистое серебро AgI с электропроводностью æ_электр≈0,1 1/Ом·см, и толщину электролита примем δ=0,1 см, тогда формула (3) примет вид:

На фиг.3 представлены расчетные значения напряжений на клеммах 9 одной ячейки и ее удельной мощности, рассчитанные по формулам (1-4), в зависимости от плотности тока на электродах 4, 5 ячейки 1. По формулам (1-4) были рассчитаны аналогичные значения напряжения V и удельной мощности W токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу (пунктирные линии).

Как видно из графика (фиг.3), при работе ячейки 1 генератора в режиме максимальной удельной мощности, составляющей W_ген.=0,156 Вт/см² (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, W_прот.=0,05 Вт/см²), напряжение на клеммах 9 ячейки 1 будет равно V_ген.=0,395 B (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, - V_прот.=0,225 B), при плотности тока J_ген.=0,395 А/см² (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, J_прот.=0,225 А/см²).

Удельный расход рабочего тела-йода через электродный блок, включающий электроды 4, 5 и электролит 6, ячейки 1 однозначно задается законом Фарадея:

где g - удельный расход рабочего тела через электродный блок ячейки 1, г/сек;

I_пол. - полный ток, вырабатываемый всей поверхностью электродов 4, 5, S₄=S₅;

S_яч. - площадь электрода 4 или 5, S₄=S₅;

A - атомный вес рабочего тела, йода, г/моль (для йода A=126,91 г/моль ≈ A=127 г/моль).

Примем для расчета удельного расхода:

S_яч.=S_{электрода 4,5}=100 см²

часовой расход рабочего тела будет равен:

суточный расход рабочего тела будет равен:

масса заправки рабочим теплом M_р.т. полости 2 (фиг.1) будет равна:

где n - время в сутках работы электрогенератора на поверхности Луны.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения электрической энергии на поверхности Луны позволяет повысить удельную мощность прямого преобразования солнечного тепла в электричество и обеспечить выработку резервного, одноразового, наперед заданного, количества киловатт-часов электроэнергии.

Способ получения резервной электроэнергии из солнечного тепла на поверхности планеты Луна путем прямого преобразования солнечного тепла в электричество в барогальваническом генераторе, расположенном в потоке солнечного излучения на поверхности планеты Луна путем нагрева и перегрева рабочего тела в жидкой фазе в полости высокого давления, его ионизации на границе: электрод высокого давления - электролит, перетока ионов рабочего тела через слой электролита под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов рабочего тела на границе: электролит - электрод низкого давления рабочего тела и поступления рабочего тела в виде перегретого пара от электрода низкого давления в полость низкого давления, отличающийся тем, что в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, а полость низкого давления сообщают с вакуумом окружающей среды, в которую самопроизвольно выпускается перегретый пар низкого давления рабочего тела.

Изобретение относится к области получения электроэнергии на основе использования электрохимических реакций. .

Опреснительная установка и устройство для выработки электроэнергии (варианты) // 2442719

Изобретение относится к области судостроения. .

Авиационная энергоустановка с генератором на топливных элементах // 2440644

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, авиационных энергоустановках. .

Электрохимический преобразователь // 2409879

Изобретение относится к электрохимическому преобразователю, предназначенному для превращения механической, тепловой или световой энергии в электричество с помощью обратимых электрохимических реакций, идущих на поверхности инертных электродов.

Фотоэлектрохимический способ разделения воды на водород и кислород с использованием меланинов, их аналогов, их предшественников или их производных в качестве главного электролизирующего элемента // 2400872

Изобретение относится к процессам или способам получения альтернативной энергии, в частности к процессам, известным как фотоэлектрохимические, посредством которых получают атомы водорода и кислорода посредством разделения молекулы воды, при котором генерируются атомы водорода и кислорода.

Способ получения электрической энергии на основе полупроводникового электронного каталитического элемента // 2380792

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую и может быть использовано в источниках тока, принцип действия которых основан на электронных процессах, протекающих в полупроводниковых катализаторах.

Термоэлектрический блок питания // 2371816

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологическому термогенераторному оборудованию, и предназначено для питания постоянным электрическим током комплекса радиоэлектронной аппаратуры и средств автоматики и телемеханики газопроводов в непрерывном режиме функционирования.

Энергоустановка на топливных элементах // 2356134

Изобретение относится к энергоустановкам на топливных элементах (ТЭ) и может использоваться при проектировании автономных, резервных, транспортных энергоустановок, эксплуатируемых в полевых условиях.

Термоэлектрохимический генератор (тэхг) // 2355075

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрохимическом генераторе (ТЭХГ). .

Способ интенсификации электрохимических процессов // 2344204

Изобретение относится к электрохимии. .

Способ получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты венера // 2446517

Изобретение относится к энергетике, конкретно к барогальваническим генераторам для преобразования тепловой энергии в электрическую

Способ получения резервной электроэнергии из тепловой энергии солнца и/или биогаза // 2446518

Биогазовый барогальванический электротеплогенератор с тепловой регенерацией рабочего тела // 2449429

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для прямого преобразования тепла сжигаемого биогаза в электричество постоянного тока с утилизацией тепла отводимых продуктов сгорания на отопление и горячее водоснабжение энергоавтономных усадебных домов

Энергоустановка на основе топливных элементов // 2526851

Изобретение относится к области электротехники, в частности к энергоустановкам для совместной выработки электроэнергии и теплоты, использующим углеводородное топливо и предназначенным для локальных потребителей. Установка содержит подсистему автотермической переработки топлива с нейтрализацией оксида углерода, подсистему выработки электроэнергии с контуром термостабилизации и батареей топливных элементов, подсистему воздухоснабжения, подсистему водоснабжения с емкостью для регенерированной воды, подсистему нейтрализации выхлопных газов и средства подготовки к запуску. Узлы смешивания, подогрева и реформинга реагентов в топливном процессоре выполнены в виде раздельных независимых блоков, контур термостабилизации выполнен изолированным от системы регенерации воды, увлажнитель воздуха включен в поток выходного воздушного потока, а подсистема подготовки к пуску снабжена дополнительными каналами подведения топлива и воздуха к подсистеме утилизации выхлопных газов, коммутируемыми трехходовыми клапанами. Установка оснащена системой автоматического управления. Повышение экономичности расхода топлива и надежности энергоустановки за счет повышения автономности подсистем и минимизации перекрестных связей между узлами является техническим результатом изобретения. 2 ил.

Термоэлектрический генератор, работающий от тепловой энергии сжигаемого газа // 2561502

Термоэлектрический генератор, работающий от тепловой энергии сжигаемого газа, относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую и может использоваться в местах, удаленных от линий электропередачи для питания постоянным электрическим током комплекса радиоэлектронной аппаратуры и средств автоматики и телеметрии газопроводов (расход, давление, свойства газа и т.п.) в непрерывном режиме функционирования. Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик термоэлектрического генератора, а это полная автономность, автоматизация регулирования температуры нагрева теплоприемника, повышенная надежность и большой срок службы генератора, регулируемое выходное постоянное напряжение в диапазоне 3÷12 В и возможность регулировать ток заряда аккумуляторной батареи благодаря резистору подстроечному в блоке реле. Термоэлектрический генератор, работающий от тепловой энергии сжигаемого газа, содержит четыре термоэлектрических модуля, радиаторы, теплоприемник с горелочным устройством. В состав термоэлектрического генератора также входит: блок управления, силовой блок, блок реле, два температурных датчика, газовый электромагнитный клапан, электрическая зажигалка. Работа генератора полностью автоматизирована (после его первого запуска) и отлаженно работает благодаря микроконтроллерному управлению. Изобретение обеспечивает бесперебойной работой газоредуцирующие объекты магистральных газопроводов и газовых сетей низкого давления (средства телемеханики, контрольно-измерительные приборы, освещение, охранно-пожарная сигнализация и т.д.). 9 ил.

Опреснительная установка с получением холода и электроэнергии (варианты) // 2562660

Изобретение относится к области энергетики, предназначено для одновременного получения пресной воды, холода и электроэнергии. Достигаемые технические результаты - более высокая экономия потребляемой электроэнергии, вплоть до полной компенсации энергозатрат на собственные нужды установки, сопровождающаяся снижением количества выбросов токсичных и парниковых газов судовой энергетической установки, больший коэффициент полезного действия, а также возможность получать холод - получены путем совмещения процесса опреснения воды с получением холода и электроэнергии. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

Пьезоэлектрический генератор, способ его изготовления и мобильное устройство, содержащее его // 2570819

Изобретение относится к электротехнике, а именно к пьезоэлектрическому генератору достаточной мощности в виде прозрачной полимерной пьезопленки, которая может быть встроена в экран мобильного устройства и подзаряжать аккумулятор во время эксплуатации мобильного устройства при касании экрана. Пьезоэлектрогенератор выполнен в виде двух идентичных модулей, каждый из которых содержит подложку, с прозрачным электропроводящим покрытием в качестве электрода, на поверхности электрода сформирован пьезоэлектрический слой из цирконата титаната свинца, в виде вертикальных микропьезоэлементов шириной от 50 до 100 мкм, расположенных в виде узлов решетки со стороной от 200 до 500 мкм, оба идентичных модуля соединены между собой пьезоэлектрическими слоями через металлическую решетку, и изоляционный слой. Слоистую пленочную структуру прозрачного пьезоэлектрогенератора изготавливают методом магнетронного напыления прозрачных пленок требуемого свойства. Мобильное устройство типа смартфона содержит указанный пьезоэлектрогенератор, встроенный в экран. Выполнение пьезоэлектрического генератора в виде тонкой гибкой пленки в соответствии с заданной геометрией с расположением в узлах металлической решетки из фольги, обеспечивает прозрачность конструкции и повышает мощность аккумулятора, что является техническим результатом изобретения. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.