Способ получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты венера



Способ получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты венера
Способ получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты венера
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.



 

Похожие патенты:

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

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

Изобретение относится к области судостроения. .

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

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.
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.

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.

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.

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

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

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

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

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, 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.

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.

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.
Наверх