Походная гелиотермоэлектростанция
Владельцы патента RU 2622495:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) (RU)
Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для утилизации возобновляемых, вторичных тепловых энергоресурсов и тепловой энергии природных источников. Походная гелиотермоэлектростанция включает ковер, собранный из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототермоэлектрический преобразователь, покрытый гидроизоляционной пленкой, внутри которой помещены фотоэлементы и термоэлектрический преобразователь. В массив термоэлектрического преобразователя, выполненного из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2. Отрезки спаяны на концах между собой таким образом, что их спаи согнуты под углом 90° и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя параллельно ей, не касаясь ее. Сами парные проволочные отрезки расположены параллельно друг другу, образуя П–образные ряды. Крайние проволочные отрезки крайних П–образных рядов термоэлектрических преобразователей и фотоэлементы через свои клеммы в каждом вертикальном ряду фототермоэлектрических преобразователей ковра соединены между собой последовательно через электрические конденсаторы и через перемычки с выходными коллекторами, выходные клеммы которых соединены с накопительным блоком. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и надежности походной гелеотермоэлектростанции. 8 ил.
Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для утилизации возобновляемых, вторичных тепловых энергоресурсов и тепловой энергии природных источников, а именно для прямой трансформации тепловой энергии в электрическую в походных условиях.
Известна термоэмиссионная система электроснабжения здания, содержащая: наружные ограждения, кровельное покрытие, покрытые снаружи декоративными ограждениями, состоящими из секций, каждая из которых представляет собой термоэлектрический преобразователь, состоящий из прямоугольного полого корпуса, выполненного из материала–диэлектрика с высокой теплопроводностью, армированного контурной арматурой, между крышкой и днищем которого имеется замкнутая воздушная полость, контурная арматура состоит из элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2 и спаянные на концах между собой, образующие зигзагообразные ряды, устроенные таким образом, что левые и правые части проволочных отрезков со спаянными концами согнуты под углом 90° и располагаются в слоях материала– диэлектрика крышки и днища, параллельно их поверхности не касаясь ее, а средние части парных проволочных отрезков расположены в воздушной полости, крайние проволочные отрезки крайних зигзагообразных рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором [Патент РФ №2499107, МПК E04C 2/26, E04D 13/00, 2013].
Основными недостатками известного термоэлектрического преобразователя термоэмиссионной системы электроснабжения здания являются невозможность использования солнечной энергии и зигзагообразная компоновка термоэмиссионных элементов с изгибом их спаев под углом 90° и обусловленная этим малое количество термоэмиссионных элементов на единице его площади, что снижает удельную производительность по выработке термоэлектричества и эффективность устройства.
Более близким к предлагаемому изобретению является гелиотермоэмиссионная система электроснабжения здания, включающая кровельное покрытие и декоративные ограждения (ковер), состоящие из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототермоэлектрический преобразователь, состоящий из фотоэлемента, присоединенного своей тыльной стороной к наружной стороне корпуса термоэлектрического преобразователя, тыльная сторона которого снабжена вертикальными ребрами, выполненного из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из элементов термоэлектрического преобразователя, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов, спаянные на концах между собой, образуя зигзагообразные ряды, устроенные таким образом, что левые части проволочных отрезков с левыми спаянными концами согнуты под углом 90° и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя параллельно ей, не касаясь ее, а правые части проволочных отрезков с правыми спаянными концами расположены в массиве ребер, крайние проволочные отрезки крайних зигзагообразных рядов термоэлектрических преобразователей и выходные клеммы фотоэлементов соединены через соответствующие однополюсные коллекторы электрических зарядов с накопительным блоком [Патент РФ №2507353, МПК E04C 2/26, 2014].
Основными недостатками известной гелиотермоэмиссионной системы электроснабжения здания являются отсутствие гидрозащиты (отсутствие водозащитной пленки, предохраняющей фототермоэлектрические преобразователи от увлажнения) и высокое электрическое сопротивление каждого фототермоэлектрического преобразователя, обусловленное зигзагообразным устройством рядов термоэлектрических преобразователей и сгибом левых частей проволочных отрезков термоэлектрических преобразователей под углом 90°, что приводит к увеличению длины вышеупомянутых проволочных отрезков и уменьшению удельного количества термоэлектрических преобразователей в единице площади источника электроснабжения, а также прямое соединение фототермоэлектрических преобразователей с коллекторами электрических зарядов, также увеличивающие электрическое сопротивление, что, в конечном итоге, уменьшает эффективность и надежность устройства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются повышение эффективности и надежности походной гелиотермоэлектростанции.
Технический результат достигается походной гелиотермоэлектростанцией, включающей ковер, собранный из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототермоэлектрический преобразователь, покрытый гидроизоляционной пленкой, внутри которой помещены фотоэлемент, присоединенный своей тыльной стороной к наружной стороне корпуса термоэлектрического преобразователя, выполненного из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, спаянные на концах между собой таким образом, что их спаи согнуты под углом 90° и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя параллельно ей, не касаясь ее, а сами парные проволочные отрезки расположены параллельно друг другу, образуя П–образные ряды, крайние проволочные отрезки крайних П–образных рядов термоэлектрических преобразователей и фотоэлементы через свои клеммы в каждом вертикальном ряду фототермоэлектрических преобразователей ковра соединены между собой последовательно через электрические конденсаторы, перемычки с выходными коллекторами, выходные клеммы которых, в свою очередь, соединены с накопительным блоком.
На фиг. 1–8 представлена походная гелиотермоэлектростанция (ПГТЭС): на фиг. 1, 2 – общий вид и разрез ПГТЭС; на фиг. 3–5 – фототермоэлектрический преобразователь (ФТЭП) и его разрезы; на фиг. 6–8 – основные узлы ФТЭП.
Предлагаемая походная гелиотермоэлектростанция (ПГТЭС) содержит ковер 1, собранный из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототермоэлектрический преобразователь (ФТЭП) 2, покрытый гидроизоляционной пленкой 3, внутри которой помещены фотоэлемент 4, присоединенный своей тыльной стороной к наружной стороне корпуса термоэлектрического преобразователя (ТЭП) 5, выполненного из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов ТЭЭ 6, представляющих собой парные проволочные отрезки 7 и 8, выполненные из разных металлов М1 и М2, спаянные на концах между собой таким образом, что их спаи 9 согнуты под углом 90° и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя (ТЭП) 5 параллельно ей, не касаясь ее, а сами проволочные отрезки 7 и 8 расположены параллельны друг другу, образуя П–образные ряды 10, крайние проволочные отрезки 7 и 8 крайних П–образных рядов 10 ТЭП 5 и фотоэлементы 4 через свои клеммы 11, 12 в каждом вертикальном ряду 13 ФТЭП 2 ковра 1 соединены между собой последовательно через электрические конденсаторы 14, перемычки 15 с выходными коллекторами 16, 17, выходные клеммы 18, 19 которых, в свою очередь, соединены с накопительным блоком (на фиг. 1–8 не показан).
В основу работы предлагаемой ПГТЭС положено свойство фотоэлементов 4 при воздействии на них солнечных лучей преобразовывать воспринятую солнечную энергию в электрическую и тепловую энергии [Авт. свид. СССР №1603152, МПК F24J 2/32, 1990]. Так как контурная арматура ФТЭП 2 ковра 1 выполнена в виде П–образных рядов 10, изготовленных из парных проволочных отрезков 7 и 8, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, то при нагреве верхних спаев 9 проволочных отрезков 7 и 8 ТЭЭ 6 ТЭП 5 сверху и охлаждении противоположных им спаев 9 парных проволочных отрезков 7 и 8 снизу, на них устанавливаются разные температуры, в результате чего в П–образных рядах 10 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М: Наука, 1970, с. 502–506]. Двухслойная компоновка ФТЭП 2 (сверху – фотоэлемент 4, снизу – ТЭП 5) позволяет одновременно производить съем тепла с фотоэлементов 4 и нагревать спаи ТЭЭ 6, генерируя термоэлектричество. При этом П–образное расположение ТЭЭ 6 в рядах 10 в ТЭП 5 позволяет значительно увеличить их удельное количество, приходящееся на единицу поверхности ковра 1, а параллельное расположение спаев 9, относительно наружной поверхности ТЭП 5 увеличивает площадь контакта спаев 9 с охлаждаемой (нагреваемой) поверхностями, что интенсифицирует процесс теплообмена между противоположными спаями 9. Кроме того, соединение ФТЭП 2 вертикальных рядов 13 ковра 1 между собой последовательно через электрические конденсаторы 14, перемычки 15 с выходными коллекторами 16, 17 снижает электрическое сопротивление ПГТЭС.
ПГТЭС работает следующим образом. Количество ФТЭП 2, входящих в ковер 1, определяется в зависимости от наружных условий места установки ПГТЭС (температуры, солнечного освещения, вида наружного грунта, снежного покрытия, водной поверхности) и требуемой мощности. Сборку ПГТЭС осуществляют перед его размещением, после чего ковер 1 расстилают на месте установки и соединяют с потребителем (на фиг.1–8 не показан). При этом местом установки ПГТЭС может быть
наружная поверхность грунта, снежная, ледяная или водная поверхности (в последнем случае ковер 1 крепят к поплавкам (на фиг. 1–8 не показаны).
В летнее и зимнее время верхняя поверхность ФТЭП 2 нагревается солнечными лучами, генерируя электричество, а нижняя поверхность ФТЭП 2 охлаждается в результате контакта с верхней поверхностью ТЭП 5, нагревает ее, отдавая тепло, выделившееся в результате генерации электричества. Одновременно, нижняя поверхность ТЭП 5 охлаждается в результате контакта с поверхностью наружного грунта, снежного покрытия, водной поверхности и т.д. При этом тепло, выделяющееся в результате работы ФТЭП 2 от солнечных лучей, тратится на нагрев верхних спаев 9 ТЭЭ 6, а холод, поступающий в нижнюю поверхность ТЭП 5 от поверхности места установки охлаждает нижние спаи 9 этих же ТЭЭ 6. В результате вышеописанных процессов в противоположных спаях 9 ТЭЭ 6 ТЭП 5 возникает разность температур и происходит генерация термоэлектричества. Полученное под воздействием солнечных лучей электрическая энергия из ФТЭП 2 и термоэлектричество из ТЭП 5 суммируются в электрических конденсаторах 14, после чего полученное электричество через коллекторы 16, 17, выходные клеммы 18, 19 поступает в накопительный блок и далее к потребителю (на фиг. 1–8 не показаны).
При этом, хотя в зимнее время верхняя поверхность ФТЭП 2 нагревается солнечными лучами меньше, чем в летнее время, в этот период нижняя поверхность ТЭП 5 охлаждается значительно больше, чем в летнее за счет более низкой температуры поверхности грунта (снега, льда, воды) и поэтому величина разности температур на противоположных спаях 9 и генерируемого термоэлектричества в ТЭП 5 может быть также значительной.
Величина разности электрического потенциала на клеммах 18 и 19, сила электрического тока зависит от характеристик фотоэлементов 4, продолжительности и интенсивности солнечного облучения, характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлены проволочные отрезки 7 и 8, числа ТЭЭ 6 в П–образных рядах 10 и их числа в ФТЭП 2, разности температур на противоположных спаях 9 ТЭЭ 6, числа ФТЭП 2 в ковре 1. Полученный электрический ток можно использовать для обслуживания различных технических устройств, а также обогрева и освещения временных жилых и производственных помещений.
Таким образом, предлагаемая ПГТЭС обеспечивает, как в летнее, так и в зимнее время, утилизацию солнечной энергии, тепла и холода окружающего воздуха и земной поверхности (грунта, снега, льда, воды) с получением электрической энергии, которую можно использовать для обслуживания различных технических устройств, обогрева и освещения временных жилых и производственных помещений без затраты топлива, загрязнения окружающей среды, создания шумового эффекта и выделения теплового излучения, что, в конечном счете, повышает эффективность и надежность работы электростанции.
Походная гелиотермоэлектростанция, включающая ковер, собранный из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототермоэлектрический преобразователь, состоящий из фотоэлемента, присоединенного своей тыльной стороной к наружной стороне корпуса термоэлектрического преобразователя, выполненного из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, выходными коллекторы с клеммами, соединенными с накопительным блоком, отличающаяся тем, что фототермоэлектрический преобразователь покрыт гидроизоляционной пленкой, парные проволочные отрезки спаяны на концах между собой таким образом, что их спаи согнуты под углом 90° и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя параллельно ей, не касаясь ее, а сами парные проволочные отрезки расположены параллельно друг другу, образуя П–образные ряды, крайние проволочные отрезки крайних П–образных рядов термоэлектрических преобразователей и фотоэлементы через свои клеммы в каждом вертикальном ряду фототермоэлектрических преобразователей ковра соединены между собой последовательно через электрические конденсаторы, перемычки с выходными коллекторами.
