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



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

 


Владельцы патента RU 2446518:

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 солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза в электричество. Согласно изобретению способ получения резервной электроэнергии из тепловой энергии солнца и/или биогаза путем прямого преобразования тепловой энергии сконцентрированного солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза в электрическую энергию в барогальваническом генераторе 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 в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, а полость низкого давления сообщают с земной атмосферой, 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 тепловой энергии солнца и/или сжигаемого биогаза.

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, 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 земной атмосферой вблизи поверхности Земли, 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: 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, с максимальной массой рабочего тела Мр.т.=max и объемом полости 2 - V=const; 3 - полость низкого давления с температурой T1=573 К перегретого пара низкого давления рабочего тела и давлением Р2=2,5·10-5 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 Р2=2,5·10-5 атм (йода) с температурой Т1=573 К в атмосферу Земли в процессе выработки электроэнергии ячейкой 1; 9 - выходные электрические клеммы ячейки 1 электрогенератора; Q1 - подвод тепла солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза 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. до температуры плавления Тпл.=386,6 К с поглощением солнечного тепла Q2; (11-12) - процесс плавления твердого рабочего тела и переход его в жидкое состояние при температуре Тпл.=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 Тпл.=386,6 К до температуры, равной T1=573 К, - температуре перегрева жидкого йода с поглощением тепла Q4; (13-14) - процесс изотермической выработки электрической энергии в ячейке 1 при температуре T1=573 К с поглощением 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 Т1=573 К 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=2,5-10-5 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 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 и/или сжигаемого биогаза Q1 поднимает температуру ячейки 1 до температуры T1=573 К, 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 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=2,5·10-5 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 атмосферу вблизи поверхности Земли. В ней отсутствует йод, и поэтому в атмосфере Земли нет парциального давления пара йода - оно равно нулю. Давление воздуха порядка 1 атмосферы не будет препятствовать быстрому уходу перегретого пара йода от электрода 5 через отверстия 8 стенки 7 в воздушную окружающую среду вблизи поверхности Земли. Это давление Р2 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=2,5·10-5 атм, отличающееся от Р'2=2,5·10-4 атм в 10 раз в сторону уменьшения.

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, ;

Р1=2,5 атм; Р2=2,5·10-5 атм; Тт.я.1=573 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 на электродах 4, 5, А/см2.

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 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 Wген=0,108 Вт/см2 (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу Wпрот.=0,05 Вт/см2) напряжение на клеммах 9 ячейки 1 будет равно Vген.=0,33 В (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу - Vпрот.=0,225 В), при плотности тока Jген.=0,33 А/см2 (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, Jпрот.=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;

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

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

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 Мр.т. полости 2 (фиг.1) будет равна:

где n - время в сутках работы электрогенератора.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения электрической энергии позволяет: повысить удельную мощность прямого преобразования тепла солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза в электричество и обеспечить выработку резервного, одноразового, наперед заданного, количества киловатт-часов электроэнергии.

Способ получения резервной электроэнергии из тепловой энергии солнца и/или биогаза путем прямого преобразования тепловой энергии скоцентрированного солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза в электрическую энергию 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 в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, а полость низкого давления сообщают с земной атмосферой, 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 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 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