УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
DEVICE FOR CONVERSION OF THERMODYNAMIC ENERGY TO ELECTRIC ENERGY

Настоящее изобретение относится к устройству для преобразования термодинамической энергии в электрическую энергию.
Существует большое разнообразие способов генерирования электрической энергии из механической энергии движения, имеющих различную эффективность. В большинстве случаев используют генераторы, которые преобразуют вращательное движение. Однако такие периодически работающие устройства достигают приемлемого коэффициента полезного действия только при определенной минимальной частоте (скорости вращения). Когда подача энергии не постоянна, преобразование энергии неэффективно. Уменьшение подачи энергии приводит к снижению скорости вращения, которая выходит за пределы оптимального рабочего диапазона устройства. Это часто компенсируется с помощью трансмиссии, что, однако, приводит к снижению общего коэффициента полезного действия и повышению стоимости. Выключение устройства и включение его снова неудовлетворительно решает эту проблему из-за соответствующих потерь.
Совершенно другой подход к генерированию электроэнергии из энергии движения можно найти в публикации: H. Polinder, M.E.C. Damen, F. Gardner, «Design, modeling and test results of the AWS PM linear generator»; в European Transactions on Electrical Power, 2005 (том 15), стр.245-256. В соответствии с этой концепцией давление, получаемое под действием океанических волн, преобразуют в механическую энергию движения и преобразуют в электрическую энергию с помощью линейного генератора. Но и в этом случае также эффективность, вероятнее всего, подвергается сильным флуктуациям, в частности, при преобразовании давления в движение, из-за непостоянной подачи энергии. На рабочий цикл устройства влияет формирование собственных волн, и движение волны невозможно изменять. Кроме того, высокие требования к взаимозависимостям размеров, используемого цилиндра давления и линейного генератора, связанные с динамическим движением волны, вероятно, приводят к снижению общей эффективности преобразования энергии.
Дополнительная проблема возникает из-за нерегулярных импульсов напряжения, генерируемых линейным генератором (отдельные спорадические импульсы с разными амплитудами и длительностью), которые не пригодны для подачи в сеть электропитания. До настоящего времени эту проблему решали путем преобразования вначале импульса напряжения в постоянное напряжение. Для подачи в сеть электропитания постоянное напряжение преобразуют в соответствующее переменное напряжение с помощью синхронного с сетью обратного преобразователя. Эти меры, однако, оказались очень сложными и трудновыполнимыми на практике в больших масштабах. Кроме того, преобразования такого типа отрицательно влияют на коэффициент полезного действия. Альтернативное решение обеспечивает генерирование вращательной энергии с использованием импульсов напряжения. Последующее преобразование и обратное преобразование выходного напряжения позволяют получить переменное напряжение, пригодное для подачи в сеть. В этом случае также возникают недостатки, связанные с относительно большими расходами и неизбежными потерями.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить устройство с малой стоимостью для генерирования электроэнергии, которое имело бы как можно более простую конструкцию, которое работало бы исключительно с высоким коэффициентом полезного действия.
Для достижения этой цели предложено устройство, которое имеет блок поршень/цилиндр, включающий в себя цилиндр давления и поршень, установленный в цилиндре давления и выполненный с возможностью линейного перемещения в результате изменения объема рабочей среды, генератор, который включает в себя катушку и магнит, причем магнит или катушка соединен с поршнем таким образом, что линейное перемещение поршня вызывает линейное перемещение магнита относительно катушки, и контроллер, выполненный с возможностью управления рабочим тактом устройства, как функцией, по меньшей мере, одного измеряемого параметра процесса. На работу устройства в соответствии с изобретением не влияет какой-либо периодический рабочий цикл, но она основана на управляемой последовательности отдельных рабочих тактов таким образом, что каждый рабочий такт может выполняться с оптимальной эффективностью преобразования энергии. На основе постоянной оценки измеряемого параметра процесса контроллер определяет временную последовательность эквивалентных рабочих тактов. При сравнении с периодически работающими устройствами, такими как, например, известные двухтактные двигатели (двигатель Штельцера, двигатель Стирлинга), длина рабочего хода не пропорциональна частоте цикла. В идеальном случае в устройстве в соответствии с изобретением процесс преобразования энергии всегда выполняют с одинаковым кпд, независимо от того, какое количество раз его выполняют за единицу времени.
Предпочтительные и целесообразные дополнительные варианты осуществления устройства в соответствии с изобретением представлены в приложенной формуле изобретения.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения станут понятными из последующего описания и приложенных чертежей, на которые сделана ссылка и на которых:
Фиг.1 представляет собой схему системы генерирования электроэнергии;
Фиг.2 представляет собой линейную часть системы в первом рабочем положении;
Фиг.3 представляет собой линейную часть во втором рабочем положении; и
Фиг.4 представляет собой схему системы генерирования электроэнергии в соответствии с другим вариантом осуществления.
Изобретение будет описано ниже на примере системы генерирования электроэнергии. Система, показанная на Фиг.1, содержит термодинамическую часть 10, имеющую рабочую среду, и линейную часть 12, контроллер 14, работающий для обеих частей.
Основные элементы, включенные в линейную часть 12 (см. также Фиг.2 и 3), представляют собой, с одной стороны, однотактный «двигатель», имеющий средство линейного расширения в форме блока 16 поршень/цилиндр, а с другой стороны, линейный генератор 18, имеющий магнит 20 и катушку 22. Блок 16 поршень/цилиндр, по существу, состоит из цилиндра 24 давления и поршня 26, который перемещается в нем и соединен с магнитом 20 линейного генератора 18. Первая рабочая камера 28 цилиндра 24 давления сформирована на стороне поршня 26, которая обращена от магнита 20, а вторая рабочая камера 30 сформирована на стороне поршня 26, обращенной к магниту 20.
Основные элементы термодинамической части 10, по существу, состоят из насоса 32, теплообменника 34, необязательного аккумулятора 36 тепла и конденсатора 38. На Фиг.2 и 3 показано, что термодинамическая часть 10 системы соединена с линейной частью 12, более конкретно с однотактным двигателем с помощью двух каналов 40, 42. Два канала 40, 42, которые соединены с теплообменником 34 (или, в более общем случае, с резервуаром тепла с высокой температурой) и с конденсатором 38 (или, в более общем случае, с резервуаром тепла более низкой температурой) соответственно, ведут к двум переменным рабочим камерам 28, 30 соответственно цилиндра 24 давления. Четыре порта 44, 46, 48, 50, соединяющие каналы 40, 42 с рабочими камерами 28, 30 можно избирательно открывать или закрывать с помощью контроллера 14.
Режим работы всей системы будет описан ниже. В общем, система работает в соответствии со следующим принципом. Вначале тепловую энергию (энергию тепла) преобразуют в термодинамическую энергию (давление пара) в термодинамическом цикле. Давление пара преобразуют в механическую энергию движения (кинетическая энергия) однотактного двигателя. Энергию движения в конечном итоге преобразуют в электрическую энергию с помощью линейного генератора 18.
Рабочая среда нагревается в результате подачи тепловой энергии и испаряется, в результате чего происходит сильное расширение объема рабочей среды. В качестве теплообменника 34 используют, например, солнечные панели, которые поглощают тепло в результате инсоляции и отдают его в рабочую среду, которая протекает вдоль них и испаряется в результате нагрева. Когда в качестве рабочей среды используют охлаждающий агент, имеющей более низкую точку кипения, чем вода, для такого частичного процесса достигается оцениваемый кпд q>20%. Сжатие объема рабочей среды в результате охлаждения и конденсации, которое требуется для циклического процесса, осуществляется в конденсаторе 38 в более холодной окружающей среде. Жидкую рабочую среду сжимают с помощью насоса 32 и снова подают в теплообменник 34.
В частности, когда процесс ORC (цикл Ренкина на органическом рабочем теле) предусмотрен как термодинамический цикл, используемая рабочая среда предпочтительно представляет собой среду, пригодную для использования в таком процессе ORC, например R245fa или синтетическую рабочую среду, которая специально разработана для описанного применения и которая обладает хорошими характеристиками теплопередачи и также сама по себе характеризуется тем, что в рабочей среде не образуется парциальный вакуум относительно окружающего давления в требуемом диапазоне ORC, поскольку эффективность ORC уменьшается из-за попадающего в него воздуха при возникновении парциального вакуума, что трудно исключить технически в ходе длительной эксплуатации. Кроме того, перед расширением может потребоваться только незначительный перегрев испарившегося газа, поскольку энергия, добавляемая при перегреве, только незначительно увеличивает выработку энергии с помощью ORC.
Нагрев/испарение рабочей среды не зависит от времени в отношении общего процесса, и к нему не предъявляют какие-либо постоянные минимальные требования. В принципе, также можно использовать циклический процесс, который основан только на нагреве и охлаждении рабочей среды (без испарения или конденсации); в этом случае, однако, общая эффективность будет существенно ниже. В принципе, другие текучие среды, такие как, например, гидравлическое масло или газы также можно использовать как рабочую среду в термодинамической части 10.
stroke
Как показано на Фиг.2, из резервуара тепла с высокой температурой расширяющаяся рабочая среда поступает в первую рабочую камеру 28 цилиндра 24 давления через первый канал 40. С этой целью контроллер 14 открывает порт 44 и закрывает порт 46. Одновременно с этим контроллер 14 закрывает порт 48 второго канала и открывает порт 50. В результате на поршень 26 действует сила F, которая вызывает движение поршня 26 вправо (как показано на иллюстрации на чертеже) с выполнением работы. Такой процесс, который заканчивается после относительно большого рабочего хода поршня 26, составляет «нормальный» рабочий такт двигателя.
Регулирование объема (объема впуска), протекающего в рабочую камеру 28, которая реализуется с помощью контроллера 14, как функция доступного давления среды или используемого объема расширения, обеспечивает очень высокую эффективность преобразования термодинамической энергии в механическую энергию движения с приблизительно оцениваемым кпд η=95%. Очень высокая эффективность также повышается благодаря использованию плавного перемещения блока 16 поршень/цилиндр, оптимизированного для указанных выше требований, и малым потерям на трение и тепловым потерям, в результате чего можно реализовать высокую скорость расширения.
Вместе с поршнем 26 магнит 20, непосредственно соединенный с помощью жесткого поршневого штока 52, линейного генератора 18, перемещается внутри катушки 22, в результате чего индуцируется импульс напряжения в катушке 22. Таким образом, не предусматривается какое-либо предварительное преобразование линейного перемещения поршня во вращательное движение, и по этой причине преобразование в электроэнергию с помощью линейного генератора 18 выполняется очень эффективно, и приблизительно оценка коэффициента полезного действия составляет η=90%. Как показано на Фиг.1, магнит 20 также может быть соединен с поршнем 26 с помощью соединения 55.
Соединение 55 воспринимает поперечные силы, которые связаны с установочными допусками. Фактически, линейное перемещение в цилиндре 24 давления и в линейном генераторе 18 точно вдоль одной оси возможно только теоретически.
stroke
На Фиг.3 иллюстрируется противоположно направленный рабочий ход, выполняющийся после рабочего хода, описанного выше. Контроллер 14 закрывает открытые порты 44, 50 и открывает закрытые порты 46, 48, в результате чего образуется направленная противоположно воздействующая на поршень сила -F, и происходит движение поршня 26 влево. В результате формируется импульс напряжения с противоположным знаком.
Два описанных выше рабочих такта являются полностью независимыми друг от друга (в частности, по времени); то есть не предусматривается какая-либо периодическая рабочая последовательность, фиксированная заранее, как в случае известных многотактных двигателей. Вместо этого отдельный рабочий такт инициируют в зависимости от ситуации, то есть, только если удовлетворяются определенные критерии (в частности, достаточное давление рабочей среды), контроллер 14 обеспечивает выполнение рабочего такта, открывая и, соответственно, закрывая порты 44, 46, 48, 50. Это зависит от текущего положения поршня 26, который выполняет один из двух рабочих тактов (нормального или противоположно направленного).
Специальное свойство работы блока 16 поршень/цилиндр, в котором используется рабочая среда, обеспеченная термодинамической частью 10 системы, состоит в том, что контроллер 14 определяет давление рабочей среды как в резервуаре тепла с высокой температурой, так и в резервуаре тепла с более низкой температурой и инициирует рабочий такт, только когда разность давления между двумя резервуарами тепла будет настолько велика, что резервуар тепла получает возможность принятия количества тепла, выбрасываемого при полном рабочем такте поршня рабочей среды, расположенной в рабочей камере 28 (нормальный рабочий такт) или 30 (противоположно направленный рабочий такт). Это обеспечивает то, что всегда используется полный рабочий ход поршня, что повышает коэффициент полезного действия при преобразовании механической энергии движения в электрическую энергию, как описано ниже.
Длина рабочего хода поршня и размеры поверхности поршня блока 16 поршень/цилиндр и размеры магнита 20 и катушки 22 линейного генератора 18 согласованы друг с другом. Что касается преобразуемой величины энергии и общей эффективности преобразования энергии, оказалось, что блок 16 поршень/цилиндр, имеющий относительно большой рабочий ход (цилиндр с длинным рабочим ходом), является наиболее предпочтительным.
Специальная форма линейного генератора 18, который также может быть функционально смоделирован как комбинация коленчатого вала и вращающегося генератора, который не привносит потери во время запуска и остановки, такого как, например, генератор RMT (с дистанционным управлением), обеспечивает то, что после каждого рабочего хода в цилиндре 24 давления ротор вращающегося генератора выполняет поворот на 180 градусов и остается в этом положении до тех пор, пока противоположно направленный рабочий ход не будет выполнен при удовлетворении критериев процесса, и ротор либо повернется дальше в исходное положение, либо повернется обратно.
Как было упомянуто выше, термодинамическим циклом и однотактным двигателем управляют, используя множество соответствующих датчиков (давления, температуры, датчиков уровня заполнения, и т.д.) и контроллер 14, который может включать в себя множество подчиненных средств управления. Контроллер 14 непрерывно отслеживает общую ситуацию, учитывая все соответствующие, влияющие на процесс переменные (подача тепловой энергии, давление и температура рабочей среды и окружающая среда, уровни заполнения и т.д.). Для достижения оптимальной общей эффективности контроллер 14 выполняет различное управление процессом, такое как, например, регулирование уровня заполнения, скоростей потока рабочей среды, количества энергии/объема расширения рабочего хода, частоты рабочего хода, размера рабочего хода, длины рабочего хода и т.д. В определенных обстоятельствах контроллер 14 может полностью прерывать процесс преобразования энергии, если на основе данных датчика можно ожидать, что это приведет к более высокой общей эффективности преобразования энергии.
Существенное преимущество системы в соответствии с настоящим изобретением можно пояснить следующим образом. Когда подача тепловой энергии мала, теоретически возможная эффективность термодинамического преобразования тепловой энергии в механическую энергию уменьшается с учетом эффективности цикла Карно:
in
out
где T - температура рабочей среды в тепловом резервуаре с более высокой температурой, и T представляет температуру рабочей среды в тепловом резервуаре с более низкой температурой.
in
Уменьшение скорости потока рабочей среды в солнечных панелях, выполняемое контроллером 14, приводит к повышению T и при более низкой скорости потока за единицу времени. Используя комбинацию снижения скорости потока и уменьшения тактовой частоты линейного генератора 18 с ситуационным управлением, обеспечивается то, что даже в случае малой подачи тепловой энергии общая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую энергию остается постоянной.
Используемый в случае необходимости термоизолированный аккумулятор 36 тепла (аккумулятор давления) термодинамической части 10 системы выполнен с возможностью (промежуточного) сохранения нагретой/парообразной рабочей среды в течение длительного периода времени. Это полезно, в частности, в случае неоднородной подачи тепловой энергии (например, в случае инсоляции) и в определенной степени позволяет обеспечить преобразование энергии, независимое от периода времени подачи тепловой энергии без какого-либо ухудшения коэффициента полезного действия. Таким образом, в частности, минимальное количество для запуска может быть обеспечено для обеспечения синхронизации с рабочими тактами цилиндра давления в течение минимального периода времени. Дополнительный вариант осуществления термодинамической части 10 системы включает использование множества рабочих сред (хладагентов), имеющих различные температуры кипения. В зависимости от максимальной достигаемой температуры среды в данный момент времени различные температуры кипения хладагентов обеспечивают возможность использования хладагента или смеси двух (или более) хладагентов, благодаря чему достигается наибольший коэффициент полезного действия в данный момент времени в термодинамическом цикле. В частности, можно использовать смесь, пригодную для цикла Калины, например смесь аммиака-воды. Для повторного разделения хладагентов, когда это необходимо, предусмотрен каскад сепаратора в конденсаторе 38.
Вместо солнечных панелей также можно использовать другие средства для подачи тепловой энергии из регенерируемых источников тепла (например, термальный источник). Кроме того, можно эксплуатировать неиспользуемое другим образом сбросное тепло технического устройства или системы с помощью соответствующих теплообменников 34.
total
Используя описанные выше меры, должна быть достигнута постоянная общая эффективность η>15% при преобразовании тепловой энергии в электроэнергию.
Преобразование нерегулярных импульсов напряжения, генерируемых линейным генератором 18 в переменное напряжение, пригодное для подачи в сеть электропитания, осуществляется тем, что каждый отдельный импульс напряжения непосредственно преобразуют в переменное напряжение, синхронное с сетью. С этой целью обеспечивается непосредственное соединение выхода линейного генератора 18 с входом обратного преобразователя 54. (На Фиг.1 обозначен дополнительный блок 56 фильтра и выпрямителя между линейным генератором 18 и обратным преобразователем 54, который используется в альтернативном варианте осуществления, описанном ниже). Для этого типа преобразования требуется, чтобы:
- импульсы напряжения были (значительно) длиннее, чем период колебания генерируемой частоты электросети, и находились в диапазоне напряжения, требуемом для входного напряжения обратного преобразователя 54;
- сеть электропитания, в которую требуется подавать энергию, должна быть выполнена с возможностью приема спорадически генерируемой энергии сети. В простой форме такой тип преобразования напряжения поэтому не пригоден для использования в качестве автономных систем снабжения электроэнергией.
Даже в случае быстро изменяющейся входной мощности используемый обратный преобразователь 54 с высокой эффективностью генерирует в широком диапазоне входных напряжений выходную мощность, имеющую постоянное синхронно изменяющееся с сетевым напряжение. Когда входное напряжение отсутствует или слишком мало, обратный преобразователь 54 прекращает преобразование. Как только входное напряжение снова превысит пороговое значение, обратный преобразователь 54 продолжает работать и немедленно снова подает в сеть синхронное с сетью переменное напряжение (с малыми потерями).
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления данного аспекта время холостого хода генератора или флуктуации при подаче энергии в сеть может быть, по меньшей мере, частично скомпенсировано с помощью конструкции из нескольких генераторов, имеющих смещенный по времени рабочий ход. Каждый из генераторов может быть либо соединен параллельно с обратным преобразователем для формирования пар генератор/обратный преобразователь, или все они могут быть соединены с одним и тем же обратным преобразователем при малых затратах, что, однако, приводит к снижению коэффициента полезного действия.
В соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг.1, на выходе линейного генератора 18 множество импульсов напряжения вырабатывается за единицу времени, в зависимости от наличия энергии в данный момент времени. Выход линейного генератора 18 соединен с входом обратного преобразователя 54 с помощью блока 56 фильтра и выпрямителя, который преобразует импульсы в постоянное напряжение, пригодное для использования в обратном преобразователе 54. Выход обратного преобразователя 54 соединен с сетью электропитания, в которую подают энергию, таким образом, что обратный преобразователь 54 постоянно выполняет преобразование в переменное напряжение, пригодное для подачи в сеть электропитания.
Даже в случае «малого количества наличной энергии» происходит преобразование тепловой энергии в переменное напряжение, пригодное для подачи в сеть электропитания. Эффективность преобразования зависит только от уровней температуры термодинамического цикла (предпочтительно цикла ORC), но не от количества тепла, преобразуемого за единицу времени. Блок 56 фильтра и выпрямителя, который преобразует импульсы в постоянное напряжение, пригодное для работы обратного преобразователя 54, имеет такие размеры, что даже в случае требуемого минимального наличия энергии он преобразует получаемое в результате напряжение с низкой частотой импульсов в уровень постоянного напряжения, который обратный преобразователь 54 может преобразовать в переменное напряжение, пригодное для подачи в сеть электропитания, без каких-либо дополнительных значительных потерь или перерывов.
Другой вариант осуществления изобретения показан на Фиг.4. В этом случае линейный генератор 18 не соединен с обратным преобразователем для подачи энергии в сеть электропитания, а соединен с генератором 60 соответствующих напряжений заряда батареи и токов (зарядное устройство батареи), например для зарядки литий-ионных или никелево-кадмиевых батарей автомобилей.
Также возможно соединить линейный генератор 18 с генератором напряжения для того, чтобы таким образом выполнять электролиз для получения водорода.