Способ получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты венера
Владельцы патента RU 2446517:
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 тепла в электричество. Согласно изобретению способ получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты Венера 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 и поступление рабочего тела в виде перегретого пара от электрода низкого давления в полость низкого давления, при этом генератор размещают в составе спущенного на поверхность планеты исследовательского аппарата, в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, при этом обеспечивая изменение объема полости высокого давления в сторону уменьшения синхронно и пропорционально убыли массы рабочего тела в процессе выработки электроэнергии, а полость низкого давления сообщают с атмосферой Венеры, 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.
Для работы электронной аппаратуры и технических узлов, входящих в состав исследовательских аппаратов, спущенных на поверхность Венеры, необходимы надежные источники электроэнергии, выдерживающие жесткие климатические условия на ее поверхности: температуру атмосферы около 475°С, давление атмосферы ≈93 атм, атмосферу, состоящую на 96% из углекислого газа и на 4% из азота, присутствие серной кислоты.
Технической задачей изобретения является разработка способа получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты Венера.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, это: 1 - возможность использования тепла атмосферы планеты Венера для получения электроэнергии; 2 - повышение удельной мощности прямого преобразования тепла в электричество; 3 - 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 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, генератор размещают в составе спущенного на поверхность Венеры исследовательского аппарата, в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, при этом обеспечивается изменение объема полости высокого давления в сторону уменьшения синхронно и пропорционально убыли массы рабочего тела в процессе выработки электроэнергии, а полость низкого давления сообщают с атмосферой Венеры, в которую самопроизвольно выпускают 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 Венера: а) в начале работы генератора; б) в конце работы генератора.
Фиг.2. Изображены 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 порядка P1≈10 атм, температурой T1≈737 К, равной температуре атмосферы Венеры на ее поверхности, с максимальной массой рабочего тела Мр.т.=max и максимальным объемом полости высокого давления Vнач.=max в начале работы генератора; 3 - полость низкого давления с температурой Т1≈737 К перегретого пара низкого давления рабочего тела и давлением Р2≈10-5 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 V2≈10-5 атм (йода) в атмосферу Венеры в процессе выработки электроэнергии ячейкой 1; 9 - выходные электрические клеммы ячейки 1 электрогенератора; Q1 - подвод тепла из атмосферы Венеры к ячейке 1 электрогенератора.
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 Ттв.=303 К до температуры плавления Тпл.=386,6 К с поглощением тепла Q2 из атмосферы; (11-12) - процесс плавления твердого рабочего тела и переход его в жидкое состояние при температуре Тпл.=386,6 К с поглощением тепла Q3 - теплоты фазового перехода из атмосферы; (12-13) - процесс нагрева жидкого рабочего тела (йода) при постоянном давлении P1≈10 атм от температуры Тпл.=386,6 К до температуры, равной температуре атмосферы на поверхности планеты Венера T1=737 К - температуре перегрева жидкого йода с поглощением тепла Q4 из атмосферы; (13-14) - процесс изотермической выработки электрической энергии в ячейке 1 при температуре T1=737 К с поглощением тепла Q5 из атмосферы, 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=737 К и давлением P1≈10 атм; 14 - точка на T-S диаграмме, в которой рабочее тело находится в виде перегретого пара низкого давления с температурой Т1=737 К и давлением P1≈10-5 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) до температуры плавления; (16-17) - процесс плавления рабочего тела; (17-18) - процесс нагрева и перегрева жидкого рабочего тела; (18-19) - процесс изотермической выработки электроэнергии; (19-20) - процесс охлаждения перегретого пара; (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 атмосферы Венеры Q1 поднимает температуру ячейки 1 до температуры атмосферы Т1=737 К, при которой находящееся в полости высокого давления 2 рабочее тело будет находиться в перегретом состоянии с давлением P1≈10 атм и температурой T1=737 К.
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≈10-5 атм (у прототипа Р2 соответствует давлению упругих паров над твердым йодом при температуре Т=300 К и составляет величину Р'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 окружающую генератор атмосферу Венеры. В атмосфере Венеры отсутствует йод, и поэтому в атмосфере Венеры нет парциального давления пара йода - оно равно нулю. Давление атмосферы Венеры в 93 атм будет, в какой-то мере, препятствовать быстрому уходу перегретого пара йода от электрода 5 через отверстия 8 стенки 7 в атмосферу Венеры, но это давление будет ниже давления упругих паров йода над твердой фазой Р'2=2,5·10-4 атм. Поскольку в реальности давление Р2 неизвестно, то примем его Р2=10-5 атм, не на много отличающееся от Р'2=2,5·10-4 атм.
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=10 атм; P2=10-5 атм; Tт.я.=T1=737 К.
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, А/см2, на электроде 4 или 5.
В качестве электролита примем йодистое серебро AgI с электропроводностью æэлектр≈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 1 и ее удельной мощности, рассчитанные по формулам (1-4) в зависимости от плотности тока на электродах 4 и 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 Wген.=0,25 Вт/см2 (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, Wпрот.=0,11 Вт/см2 ), напряжение на клеммах 9 ячейки 1 будет равно Vген.=0,507 В (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, Vпрот.=0,335 B) при плотности тока Jген.=0,507 А/см2 (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, Jпрот.=0,335 А/см2).
Удельный расход рабочего тела-йода через электродный блок, включающий электроды 4 и 5 и электролит 6, ячейки 1 однозначно задается законом Фарадея:
где g - удельный расход рабочего тела через электродный блок ячейки 1, г/сек;
Iпол. - полный ток, вырабатываемый всей поверхностью электродов 4-5, S4=S5;
Sяч. - площадь электродов 4-5;
А - атомный вес рабочего тела, йода, г/моль (для йода А=126,91 г/моль≈А=127 г/моль).
Примем для расчета удельного расхода:
Sяч.=Sэлектрода 4-5=100 см2
часовой расход рабочего тела будет равен:
суточный расход рабочего тела будет равен:
масса заправки рабочим теплом Mр.т. (фиг.1) будет равна:
где n - время в сутках работы исследовательского аппарата на поверхности Венеры.
Постоянное синхронное уменьшение первоначального объема Vнач.=max полости 2 в процессе выработки электроэнергии пропорционально расходованию рабочего тела g (фиг.1,а) вплоть до полного использования рабочего тела, при котором Мр.т. =0 и Vкон.=min (фиг.1,б), необходим для исключения разрушения полости 2 давлением в 93 атм атмосферой Венеры и вывода из строя ячейки 1 и, следовательно, генератора из рабочего состояния.
Таким образом, использование предлагаемого способа получения электрической энергии на поверхности Венеры позволяет: использовать тепло атмосферы планеты Венера для получения электрической энергии, повысить удельную мощность прямого преобразования тепла в электричество, обеспечить выработку одноразового наперед заданного количества киловатт-часов электроэнергии.
Способ получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты Венера путем прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в барогальваническом генераторе, 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 и поступления рабочего тела в виде перегретого пара от электрода низкого давления в полость низкого давления, отличающийся тем, что генератор размещают в составе спущенного на поверхность планеты исследовательского аппарата, в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, при этом обеспечивая изменение объема полости высокого давления в сторону уменьшения синхронно и пропорционально убыли массы рабочего тела в процессе выработки электроэнергии, а полость низкого давления сообщают с атмосферой Венеры, в которую самопроизвольно выпускается перегретый пар низкого давления рабочего тела.
