Криогенный пьезоэлектрический генератор
CRYOGENIC PIEZOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к производству электрической энергии. Изобретение может быть применено при создании генераторов электроэнергии, и реализована, в любом устройстве, где требуется предобразование энергии сжиженного охлажденного газа в электрическую энергию, в частности, при создании транспортных средств использующих сжиженные охлажденные газы.
Из уровня техники известны способы накопления энергии путем сжижения атмосферного азота. В последствии накопленная энергия может быть возвращена с помощью испарения азота, например, путем подведения тепла атмосферного воздуха. Давление газообразного азота в процессе парообразования и нагревания использовалось для вращения турбин либо приводило в движение поршни, таким образом, совершалась полезная работа, которая могла служить либо для перемещения транспортного средства, либо для выработки электроэнергии.
Например, американской компанией «Жидкий воздух» еще в 1902 году демонстрировался автомобиль на жидком азоте. Спроектированный компанией двигатель был поршневым, максимальная дальность хода составляла около 30 км. Вначале 2000-х годов компания Dearman продемонстрировала созданный ей автомобиль на жидком азоте, также использующий поршневой двигатель, однако, в указанном двигателе процесс испарения азота происходил посредством смешения в цилиндрах жидкого азота и теплоносителя (смеси воды и гликоля). Поэтому испарение происходило весьма активно, что, в конечном счете, обеспечило и лучшие скоростные характеристики и больший пробег на одной заправке.
Использование жидкого азота в качестве своеобразного криогенного накопителя энергии является экологически и пожаро- безопасным, дешевым (стоимость сжиженного азота определяется только энергетическими затратами на его производство - 0,5 Квтч на 1 кг сжиженного газа, то есть, по тарифам, например, г. Москвы, около 2,5 рублей), доступным (в силу повсеместного распространения), а также вносит определенный вклад в борьбу с мировым потеплением.
Вместе с тем в современных установках используются сложные механизмы для получения энергии, подразумевающие наличие системы турбин или поршней, следовательно, имеющие достаточно большую массу, сложную систему смазывания движущихся механизмов, охлажденных до весьма низких температур.
Кроме того, КПД указанных установок не превышает 30%.
Задачей создания данного изобретения было описание такого криогенного генератора электрической энергии, который мог бы использоваться для быстрого, дешевого и простого получения энергии в результате нагревания охлажденного сжиженного газа (в частности, азота).
Результатом использования данного изобретения станет появление КПГ, способных вырабатывать электроэнергию от нагрева сжиженных газов наиболее простым и дешевым способом. КПГ могут использоваться, как части транспортных средств на сжиженных газах.
Для решения поставленной задачи необходимо сделать следующие существенные решения:
- разработать принципиальную компоновку КПГ, оптимально использовав такие комплектующие, как: сосуд Дьюара, резонатарные камеры, пьезоэлементы, датчики давления, клапаны, нагреватель, пусковой источник его питания, установка для принудительного поддержания низкой температуры сжиженного газа, блоком управления;
- произвести расчеты процессов, происходящих при парообразовании и генерации электричества пьезоэлементами.
Таким образом, сущностью изобретения является оптимальное использование в КПГ давления при испарении жидкого газа для генерации электричества пьезоэлементами.
КПГ может быть, в принципе, создан на базе емкости конструкционно напоминающей сосуда Дьюара (1) способной выдерживать высокое давление, с аварийным клапаном (2) поддерживающего достаточно высокое давление, с жидким азотом внутри (см. фиг. 1). Указанный сосуд Дьюара соединен посредством впускных клапанов (3) с системой резонаторов (4) над верхней его частью, а своей нижней частью сосуд Дьюара соединен посредством жидкостного клапана (5) с радиатором (6). (Субсистема радиатор (6) и вентилятор (9) могут играть роль нагревателя жидкого азота, однако, вместо этой системы могут применяться элементы Пельтье, работающие в режиме нагрева от контакта с внешней средой и сжиженным газом в сосуде Дьюара). Внутри сосуда Дьюара находится датчик давления (7) и сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии - СПИНЭ (8), который запитывается током, сохраняет энергию магнитного поля и выполняет роль пускового источника питания. СПИНЭ соединен электропроводами с блоком управления (14), впускными клапанами (3) и жидкостным клапаном (5), а также соединен электропроводами с вентилятором (9) и установкой для принудительного поддержания низкой температуры сжиженного газа - УПНТ (10). Каждый резонатор содержит пьезоэлементы (11), пластины, расположенные внутри таким образом, что две их противоположных стороны подвергаются действию давления при повышении давления в резонаторе. Пьезоэлементы соединены проводами с магистральной электрической шиной (12) для сбора вырабатываемого пьезоэлементами электрического тока. Выпускные клапаны (13) расположены в верхних частях резонаторов, выпускают газообразный азот после того, как давление сожмет пьезоэлементы. Блок управления (14) соединен электропроводами с датчиком давления, СПИНЭ, УПНТ, вентилятором и управляет работой всей системы..
В режиме сохранения энергии ток из СПИНЭ поступает в УПНТ, которая обеспечивает дополнительное охлаждение сжиженного газа в сосуде Дьюара. Запуск КПГ осуществляется через блок управления, который, используя электроэнергию, накопленную в СПИНЭ, отключает УПНТ, открывает клапан, соединяющий сосуд Дьюара и радиатор, запускает вентилятор, прогоняющий атмосферный воздух через радиатор, благодаря чему жидкий газ начинает испаряться и нагреваться. Блок управления также осуществляет контроль давления через датчик в сосуде Дьюара и через систему впускных клапанов попеременно пропускает испаряющийся газ под давлением из сосуда Дьюара в резонаторы. Таким образом в резонаторах попеременно происходят скачки давления. Каждый скачек давления в одном из резонаторов приводит к сжиманию пьезоэлектрических пластин в этом резонаторе, и указанные пластины генерируют электрический ток, поступающий в магистральную электрическую шину по очереди от каждого резонатора. Так как в каждом резонаторе кроме впускного клапана есть еще и выпускной, в резонаторах происходит кратковременное увеличение давления, за это время пьезоэлементы успевают сгенерировать максимальное значение электрического тока.
Следующие расчеты позволяют оценить эффективность, КПД КПГ.
Известно, что каждый грамм некоторых пьезоэлектриков может генерировать один ватт электрической энергии.
При сжатии пьезоэлектрика около 40% энергии расходуется на создание разности электрических потенциалов, около 10% расходуется на нагрев и около 50% энергии превращается в потенциальную энергию сжатия. Энергия, расходуемая на нагрев, в конечном счете приводит к нагреву газа в резонаторе, следовательно, ее можно считать «полезной» энергией. Таким образом, в рассматриваемой системе пьезоэлектрик может работать с КПД = 0,5.
п
н
2
1
п
н
2
1
Известно, что энергетические затраты на испарение и нагрев азота, допустим, до 253°К = -20°С рассчитывается как W=Сm+Сm(Т - Т), где С - удельная теплота парообразования азота, С - удельная объемная теплоемкость газообразного азота, (Т - T) - разница температур в кельвинах между температурой 253°К и температурой кипения азота (77°К). Рассчеты показывают, что W составляет около 331 КДж = 92 Втч/кг. Энергия, затрачиваемая на испарение и нагрев азота до температуры -20°С, забирается из атмосферы воздуха в процессе теплообмена между воздухом, прогоняемым вентилятором через радиатор, и жидким азотом в радиаторе. Указанная энергия впоследствии передается пьезоэлементам и преобразуется в электрическую с указанными выше потерями.
н
2
1
н
2
1
н
2
1
3
3
Для того, чтобы оценить количество атмосферного воздуха, необходимое для сообщения одному килограмму жидкого азота в радиаторе теплоты W, достаточной для парообразования и нагрева до температуры -20°С, необходимо воспользоваться почти той же формулой: W=Cm(T - T), где m - искомая масса воздуха, С -удельная объемная теплоемкость воздуха, (Т - T) - разница между температурой атмосферы и температурой -20°С. Допустим, температура атмосферного воздуха составляет +20°С. Тогда, получаем: m=W/C(T - T) = 8 кг. To есть, для того, чтобы испарить и нагреть до -20°С один килограмм жидкого азота необходимо прогнать через радиатор около 8 кг (или около 6,3 м атмосферного воздуха). Современные вентиляторы мощностью, например, 0,25 кВт способны прогонять около 1400 м воздуха в час. Это значит, например, что за час может быть произведено испарение и нагрев 222 кг жидкого азота, при этом будет израсходовано только 0,25 кВтч энергии. Указанные 222 кг испарившегося и нагретого азота при взаимодействии с пьезоэлементами дадут: около 10 кВтч эелектроэнергии. Электрическая энергия, питающая вентилятор, может браться из пускового источника питания, например, из СПИНЭ. Известно, что удельная энергоемкость СПИНЭ достигает 10 Втч/кг, соответственно, 0,25 кВтч могут содержаться в СПИНЭ массой 25 кг.
Представляется, что транспортные средства, использующие КПГ можгут достаточно успешно конкурировать не только с транспортными средствами, оснащенными двигателями внутреннего сгорания, но и с современными электрическими транспортными средствами.
Хотя транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания используют более энергоемкие углеводороды, тем не менее в законодательство западных стран уже включен поэтапный отказ от их производства и продаж в связи с глобальным потеплением. Так в Австрии уже с текущего года введен запрет продаж новых транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Недостаток электрических транспортных средств заключаются в высокой стоимости батарей, используемых в них, необходимости ее утилизации, пожароопасности. Так, батарея в автомобиле Тесла Model S стоит 45000 долларов США, весит 540 кг и имеет энергоемкость 85 кВтч. То есть за хранение каждого киловатт часа потребителю приходится платить 529 долларов США. Кроме того зарядка электрических батарей может занимать часы. Стоимость же сосуда Дьюара в сотни раз дешевле чем литий-ионная батарея большой емкости, заправка транспортного средства жидким азотом займет считанные минуты, отсутствуют также затраты на утилизацию, которые неизбежны при потере электрическими батареями емкости, отсутствует опасность возгорания.
Техническим результатом применения КПГ будет являться создание такого электрического генератора, который будет прост и дешев в конструкции, обладать высоким КПД, может использоваться в транспортных средствах.
К описанию прилагается одна фигура, отражающие существенные признаки изобретения.
На фиг. 1 показана принципиальная схема компоновки КПГ (не нарисованы электропровода).
Изобретение может быть материализовано применением компоновки описанной выше, а также использованием материалов, описываемых ниже.
КПГ может быть материализован следующим образом (см. фиг. 1 на фигуре не показаны электрические провода):
1 Сосуд Дьюара в форме продолговатого цилиндра из прочного металла, например, дюрали Д16Т, с жидким азотом, внутри которого находятся датчик давления и СПИНЭ. Верхняя часть сосуда Дьюара соединена с аварийным клапаном и впускными клапанами резонаторов. Нижняя часть соединена с жидкостным клапаном радиатора.
2 Аварийный клапан выполнен из стали, находится в верхней части сосуда Дьюара.
3 Впускные клапаны резонаторов выполнены из стали и содержат пьезоэлектрические линейные моторы, находятся в верхней части сосуда Дьюара, соединяют сосуд Дьюара и резонаторы, управляются блоком управления.
4 Резонаторы представляют из себя камеры из прочного металла, способного выдерживать высокие давления, например, дюрали Д16Т. Внутри резонаторов находятся пьезоэлектрические пластины. Нижней частью резонаторы соединены посредством впускных клапанов с сосудом Дьюара. В верхней части резонаторов находятся выпускные клапаны.
5 Жидкостный клапан выполнен из стали и содержит пьезоэлектрический линейный мотор, соединяет нижнюю часть сосуда Дьюара и радиатор, управляется блоком управления.
6 Радиатор, выполнен из прочного металла, способного выдерживать высокие давления, например, дюрали Д16Т, в форме автомобильного радиатора, соединен одним патрубком посредством жидкостного клапана с нижней частью сосуда Дьюара, другим патрубком - с верхней частью сосуда Дьюара
7 Датчик давления находится в сосуде Дьюара, соединен с блоком управления.
8 Пусковой источник энергии может быть реализован в виде сверхпроводникового (при температуре жидкого азота) провода, скрученного в тороидальную катушку СПИНЭ, соединен с вентилятором, впускными и жидкостным клапанами.
9 Вентилятор расположен перед радиатором, соединен электропроводами с блоком управления.
10 Установкой для принудительного поддержания низкой температуры сжиженного газа может быть реализована в виде Пельтье, установленных частично в сосуде Дьюара, частично за его пределами, соединена электропроводами с пусковым источником энергии.
11 Пьезоэлементы выполненные из пьезоэлектрических материалов пластины, расположены в резонаторах таким образом, что две противоположные стороны пластин способны воспринимать переменное давление в резонаторах. Резонаторы соединены электропроводами с электрической шиной.
12 Электрическая шина - проводник из материала с низким электрическим сопротивлением, находится вблизи резонаторов за пределами сосуда Дьюара. Электрическая шина соединена электропроводами с пьезоэлементами, блоком управления.
13 Выпускные клапаны выполнены из стали и содержат линейные пьезоэлектрические моторы, расположены в верхних частях резонаторов, соединены электропроводами с блоком управления.
14 Блок управления представляет из себя компьютер, управляющий всей системой КПГ. Соединен электропроводами с датчиком давления, впускными клапанами, жидкостным клапаном, вентилятором, пусковым источником энергии, вентилятором.
В режиме ожидания КПГ блок управления (14) закрывает жидкостный клапан (5), и подает электроэнергию в установку для принудительного поддержания низкой температуры (10) интенсивного испарения азота не происходит. В режиме работы КПГ блок управления (14) открывает жидкостный клапан (5), и включает вентилятор (9) жидкий азот начинает поступать из сосуда Дьюара (1) в радиатор (6), где азот начинает испаряться и возвращается в сосуд Дьюара уже в виде газа. Давление в сосуде Дьюара вырастает и датчик давления (7) сообщает информацию о давлении на блок управления (14). Блок управления начинает поочередно открывать впускные (3) и выпускные клапаны (13) на резонаторах (4). Пьезоэлементы (11) реагируют на скачки давления сжатиями и на их контактах возникает разность потенциалов. Пэтому в электрической шине (12) возникает ток, наводимый пьезоэлементами из каждого резонатора по очереди.
Таким образом, изобретение «Криогенный пьезоэлектрический генератор» позволяет создать аппарат, который способен осуществлять: генерацию электрического тока благодаря взаимодействию охлажденного сжиженного газа с атмосферным воздухом сохраняя высокую эффективность, дешевизну и простоту конструкции.