Универсальная теплотрубная гелиотермоэлектростанция

Полезная модель относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использована для утилизации тепловой энергии природных источников, а именно, для прямой трансформации солнечной энергии в электрическую в различных условиях.
Известна походная гелиотермоэлектростанция, включающая ковер (плоскость), 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 M1 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 [Патент РФ №2622425, МПК Е04С 2/26, 2017].
Основным недостатком известной походной гелиотермоэлектростанции является невозможность использования тепла, выделяющегося из фотоэлементов при генерации электричества, что снижает ее эффективность.
Более близким к предлагаемой полезной модели является универсальная гелиотермоэлектростанция, содержащая прямоугольную плоскость, собранную из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототеплотрубнотермоэлектрический преобразователь, покрытый гидроизоляционной пленкой, внутри которой помещены фотоэлемент, соединенный перемычками с коллекторами одноименных зарядов и присоединенный своей тыльной стороной к теплотрубному теплообменнику, выполненному в форме прямоугольного корпуса, крышка и днище которого покрыты изнутри решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, частично заполненного рабочей жидкостью, в полости корпуса решетки крышки и днища соединены между собой вертикальными фитилями, также частично заполненными рабочей жидкостью и покрытыми цилиндрическим кожухами с треугольными прорезями на их верхних и нижних торцах и прикрепленными к крышке и днищу корпуса, причем внутренняя поверхность крышки и днища корпуса теплотрубного теплообменника, покрытые решеткой, составляют зоны испарения и конденсации, соответственно, а фитили образуют зону транспорта, к наружной стороне днища теплотрубного теплообменника примыкают плоские термоэлектрические преобразователи, к внешней стороне которых прижаты радиаторы, перемычки с коллекторами одноименных зарядов термоэлектрических преобразоватейле и фотоэлементов, в свою очередь, соединены с накопительным блоком [Патент РФ №2715356, МПК Е04С 2/26, 2020].
Основными недостатками известной универсальной гелиотермоэлектростанции являются сложность конструкции теплотрубного теплообменника и его эксплуатации (например, при заполнении рабочей жидкостью), что снижает ее эффективность.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели являются повышение эффективности универсальной теплотрубной гелиотермоэлектростанции.
Технический результат достигается универсальной теплотрубной гелиотермоэлектростанцией, содержащей плоскость, собранную из, соединенных между собой, прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототеплотрубнотермоэлектрический преобразователь, покрытый гидроизоляционной пленкой, внутри которой помещены сверху вниз, также соединенные между собой фотоэлемент, соединенный перемычками с коллекторами одноименных зарядов и присоединенный своей тыльной стороной к теплотрубному теплообменнику, выполненному в форме прямоугольного корпуса, крышка и днище которого покрыты изнутри решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, полость которого заполнена теплотрубной прокладкой, выполненной из капиллярного материала и перфорированной отверстиями, частично заполненной рабочей жидкостью, причем внутренняя поверхность крышки и днища корпуса в зоне отверстий составляют зоны испарения и конденсации, а сама капиллярная прокладка образует зону транспорта, к наружной стороне днища теплотрубного теплообменника примыкают плоские термоэлектрические преобразователи, к внешней стороне которых прижаты радиаторы, перемычки с коллекторами одноименных зарядов термоэлектрических преобразователей и фотоэлементов, в свою очередь, соединены с накопительным блоком.
На фиг. 1-4 представлена универсальная теплотрубная гелиотермоэлектростанция (УТТГТЭС): фиг. 1, 2 - общий вид и разрез (УТТГТЭС); фиг. 3, 4 - фототеплотрубнотермоэлектрический преобразователь (ФТТТЭП) и его разрез.
Предлагаемая универсальная теплотрубная гелиотермоэлектростанция (УТТГТЭС) содержит плоскость 1, собранную из, соединенных между собой, прямоугольных секций, соединенных между собой, каждая из которых представляет собой фототеплотрубнотермоэлектрический преобразователь (ФТТТЭП) 2, покрытый гидроизоляционной пленкой 3, внутри которой помещены, размещенные сверху вниз, также соединенные между собой (узлы крепления на фиг.1-4 не показаны), фотоэлемент 4, соединенный перемычками 5 с коллекторами одноименных зарядов 6, 7 и присоединенный своей тыльной стороной к теплотрубному теплообменнику (ТТТО) 8, выполненному в форме прямоугольного корпуса 9, крышка и днище которого покрыты изнутри решеткой 10, выполненной из полос капиллярного материала, полость которого заполнена теплотрубной прокладкой 11, выполненной также из капиллярного материала и перфорированной отверстиями 12, частично заполненной рабочей жидкостью, причем внутренняя поверхность крышки и днища корпуса 9 в зоне отверстий 12 составляют зоны испарения и конденсации 13 и 14, а сама теплотрубная прокладка 11 образует зону транспорта 15, к наружной стороне днища ТТТО 8 примыкают плоские термоэлектрические преобразователи 16 (например, элементы Пелтье), к нижней стороне которых через оболочку 1 присоединены радиаторы 17 (узлы крепления на фиг. 1-4 не показаны), перемычки 5 с коллекторами одноименных зарядов 6, 7 термоэлектрических преобразователей 16 и фотоэлементов 4, в свою очередь, соединены с накопительным блоком (на фиг. 1-4 не показан).
В основу работы предлагаемой УТТГТЭС положено свойство фотоэлементов 4 при воздействии на них солнечных лучей преобразовывать воспринятую солнечную энергию в электрическую и тепловую энергии [А.с. СССР №1603152, МПК F24J 2/32, 1990]. При этом использование ТТТО 8 для охлаждения фотоэлементов 4 позволяет многократно увеличить скорость процесс теплообмена по сравнению со скоростью аналогичного процесса с использованием обычных теплообменников, что обусловлено высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации. [А.Н. Плановский, П.И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, с. 146; В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с. 106; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. трудов. М.: - 1990, с. 22]. Так как плоские термоэлектрические преобразователя выполнены в виде элементов Пелтье 16, то при нагреве их верхних поверхностей при конденсации пара рабочей жидкости в ТТТО 8 и охлаждении наружных поверхностей радиаторами 17 на них устанавливаются разные температуры, в результате чего в элементах Пелтье появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506]. Треххслойная компоновка ФТТТЭП 2 (сверху - фотоэлемент 4, посредине - ТТТО 8, снизу - элементы Пелтье 16 позволяет одновременно производить съем тепла с фотоэлементов 4 с высокой скоростью и нагревать элементы Пелтье 16 при требуемой для них температуре также с высокой скоростью, генерируя дополнительное количество электричества.
Количество ФТТТЭП 2, входящих в плоскость 1, определяется в зависимости от наружных условий места установки УТТГТЭС (космическое или воздушное пространство, поверхность земли, воды, температуры, вида наружного грунта, снежного или ледяного покрытия) и требуемой мощности. Сборку УТТГТЭС и заполнение теплотрубной прокладки 11 ТТТО 8 рабочей жидкостью осуществляют на специализированном предприятии.
УТТГТЭС работает следующим образом. Перед размещением плоскость 1 УТТГТЭС ориентируют на месте установки по солнечному освещению и соединяют с потребителем (на фиг. 1-4 не показан). Местом установки УТТГТЭС могут быть: космическое или воздушное пространство, наружная поверхность грунта, снежная, ледяная или водная поверхности (на фиг. 1-4 не показаны). В зависимости от места установки в ТТТО 8 используется различные виды рабочей жидкости, а именно, в районах жаркого климата можно использовать в качестве рабочей жидкости обычную воду, в умеренных и холодных районах - водные растворы диэтиленгликоля, в воздушном и космическом пространстве - жидкий аммиак или водные растворы аммиака. При этом по, сравнению с известными теплотрубными теплообменниками процесс заправки рабочей жидкостью зоны транспорта тепловых труб значительно упрощается и заключается в предварительном смачивании рабочей жидкостью теплотрубной прокладки 11 и последующем размещении ее в корпус 9 ТТТО 8.
С
П
П
С
После установки УТТГТЭС наружная поверхность фотоэлементов 4 ФТТТЭП 2 нагревается солнечными лучами, генерируя электричество, а нижняя поверхность фотоэлементов 4 охлаждается в результате контакта с крышкой ТТТО 8 и нагревает ее, отдавая тепло, выделившееся в результате генерации электричества. При нагреве крышки корпуса 9 происходит испарение рабочей жидкости в ячейках решетки 10, находящейся в теплотрубной прокладке 11 и капиллярном материале решетки 10, которые транспортирует рабочую жидкость в зону испарения 13 (внутреннюю поверхность крышки корпуса 9, находящаяся в отверстиях 12), в результате чего образуется пар. При этом, покрытие решеткой 10, выполненной из полос капиллярного материала и образующей ячейки на внутренней поверхности крышки в отверстиях 12 предотвращает образование паровой пленки на ней и таким образом, интенсифицирует процесс испарения. Образовавшийся пар заполняет паровое пространство полости отверстий 12 и конденсируется в зоне конденсации 14, а именно, в ячейках решетки 10 на внутренней поверхности днища корпуса 9, покрытой решеткой 10 в отверстиях 12, что также уменьшает толщину пленки конденсата на ней и, таким образом, интенсифицирует процесс конденсации. Образовавшийся конденсат поглощается капиллярным материалом полос решетки 10, соединенной с прокладкой 11, образующей зону транспорта 15 и транспортируется в капиллярах теплотрубной прокладки 11 к крышке корпуса 9, где распределяется решеткой 10 по внутренней поверхности крышки корпуса 9 в отверстиях 12, после чего цикл повторяется. При этом процесс теплообмена с горячей и холодной средами протекает со скоростью многократно превышающей скорость аналогичного процесса в обычных теплообменниках, обусловленной высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации. Одновременно, тепло конденсации рабочей жидкости передается через днище корпуса 9 ТТТО 8 передается элементам Пелтье 16, нагревая их, за счет чего происходит равномерный нагрев внутренней поверхности элементов Пелтье 16. Так как наружная поверхность элементов Пелтье 16 снабжена радиаторми 17, а снаружи температура среды значительно ниже и равна t создается значительная разность температур между температурой наружной поверхности элементов Пелтье 16 t и температурой воздуха (t-t), в результате чего между ними происходит процесс теплообмена. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения в элементах Пелтье 16 вызывает в них эмиссию электронов и возникновение в них термоэлектричества. Полученное электричество в фотоэлементах 4 и термоэлектричество элементов Пелтье 16 через перемычки 5 и коллекторы одноименных зарядов 6, 7 (расположение перемычек 5 и коллекторов 6, 7 на фиг. 1-4 показано условно) поступает в накопительный блок и потребителю (на фиг. 1-4 не показаны).
П
С
При этом, хотя в зимнее время верхняя поверхность ФТТТЭП 2 нагревается солнечными лучами меньше, чем в летнее время, в этот период нижняя поверхность элементов Пелтье 16 охлаждается значительно больше, чем в летнее за счет более низкой температуры поверхности грунта (снега, льда, воды) и поэтому величина разности температур (t-t) и генерируемого термоэлектричества в ТЭП 5 может быть также значительной.
Величина разности электрического потенциала на токовыводах коллекторов одноименных зарядов фототеплотрубнотермоэлектрического преобразователя, сила электрического тока зависят от продолжительности и интенсивности солнечного облучения, температуры и других характеристик наружной среды, характеристик и количества фотоэлементов, рабочей жидкости в теплотрубном теплообменнике, характеристик и количества элементов Пелтье и радиаторов. Полученный электрический ток можно использовать для обслуживания различных технических устройств, а также обогрева и освещения временных жилых и производственных помещений.
Таким образом, предлагаемая универсальная теплотрубная гелиотермоэлектростанция обеспечивает как в летнее, так и в зимнее время, на земле, в воздушном ил космическом пространстве утилизацию солнечной энергии, тепла и холода окружающей среды (воздушного или космического пространства, 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 работы электростанции.