УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности, к устройствам преобразования тепловой и механической энергии в электрическую и может быть использована для создания устройств преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию.
Известно устройство, содержащее котел с горелкой, связанный паропроводом острого пара с турбиной, которая соединена паропроводом отработавшего пара с конденсатором, питательный насос котла, систему смазки и охлаждения подшипников питательного насоса, включающую в себя циркуляционный масляный насос и маслоохладитель, выполненный в виде бесконтактного поверхностного маслогазового теплообменника, включенного по охлаждающей среде в газопровод природного газа между устройством для понижения давления газа и горелкой котла, причем, устройство для понижения давления газа выполнено в виде турбодетандера, а газопровод, соединяющий турбодетандер с газовым маслоохладителем, покрыт тепловой изоляцией [RU 2335643, C1, F01K 13/00, 10.10.2008].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его для получения электрической энергии из низкопотенциальной теплоты.
Известно также устройство, содержащее последовательно соединенные турбодетандер, компрессор и теплообменник, выход которого соединен с входом турбодетандера, а также электрогенератор, вход которого соединен с выходом турбодетандера [US 7096665, F01K 25/08, F01K 25/00, 22.01.2004].
Недостатком этого устройства является относительно низкая эффективность преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию.
Кроме того, известно устройство преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию [RU 91487, U1, H02N 11/00, 10.02.2010], содержащее последовательно соединенные турбодетандер и электрогенератор, первый абсорбер и второй абсорбер, первые входы которого соединены с выходами первого абсорбера, насос, вход которого соединен с первым выходом второго абсорбера, дроссель, выход которого соединен с первым входом первого абсорбера, рекуперативный теплообменник, первый вход которого соединен с выходом насоса, десорбер, первый вход которого соединен с первым выходом рекуперативного теплообменника, второй выход которого соединен со входом дросселя, а второй вход соединен с первым выходом десорбера, а также дефлегматор, первый выход которого соединен с входом турбодетандера, второй выход соединен со вторым входом десорбера, второй выход которого соединен с входом дефлегматора, при этом второй выход турбодетандера соединен со вторым входом второго абсорбера, второй выход которого соединен со вторым входом первого абсорбера.
Это устройство также обладает относительно низкой эффективностью преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию, содержащее последовательно соединенные турбодетандер и компрессор, а также теплообменник, выход которого соединен с входом турбодетандера, электрогенератор, вход которого соединен с выходом турбодетандера, и капиллярный насос, вход которого соединен с выходом компрессора, а выход - соединен с входом теплообменника [RU 82962, U1, H02N 11/00, 10.05.2009].
Недостатком наиболее близкого технического решения также является относительно низкая эффективность преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию, что вызвано отсутствие возможности адаптации к внешним условиям для максимизации эффективности преобразования.
Задача, на решение которой направлена предложенная полезная модель, направлена на повышение эффективности преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию.
Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее электрогенератор и насос, согласно полезной модели, введены нагреватель, вход подачи рабочего тела которого соединен с выходом насоса, конденсатор-охладитель, выход рабочего тела которого соединен со входом подачи рабочего тела насоса, и блок управления, причем, электрогенератор выполнен в виде герметичного цилиндра, в первой стенке-основании которого выполнено отверстие для подачи рабочего тела, которое через первый электроклапан соединено с выходом рабочего тела нагревателя, и отверстие для вывода рабочего тела, которое второй электроклапан соединен со входом рабочего тела конденсатора-охладителя, во второй стенке-основании выполнены клемма заземления и клемма подачи электрической энергии в нагрузку, которая соединена с входной клеммой контроля тока нагрузки блока управления, входная клемма контроля температуры нагрева и входная клемма контроля температуры охлаждения которого соединены с выходными клеммами датчика температуры нагревателя и датчика температуры охлаждения конденсатора-охладителя, соответственно, выход управления насосом и первым и вторым электроклапанами, соединены со входами управления насоса и первого и второго электроклапанов, соответственно, при этом, цилиндр содержит поршень, рабочая поверхность которого обращена в строну первой стенки-основания, с закрепленным на нем постоянным магнитом цилиндрической формы, имеющем центральное отверстие, центрирующую ось, закрепленную во второй стенке-основании и частично введенную в центральное отверстие магнита, пружину, установленную между второй стенкой-основанием и магнитом, и катушку индуктивности на немагнитном каркасе, охватывающем пружину и первый и второй выводы которой соединены, соответственно, с выполненными во второй стенке-основании клеммой заземления и клеммой подачи электрической энергии в нагрузку, которая соединена с клеммой отрицательного потенциала силового диода.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная структурная схема устройства преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию;
на фиг. 2 - диаграмма цикла работы устройства преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию.
Устройства преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию (фиг. 1) содержит электрогенератор 1, насос 2, нагреватель 3, вход подачи рабочего тела которого соединен с выходом насоса 2, конденсатор-охладитель 4, выход рабочего тела которого соединен со входом подачи рабочего тела насоса 2, и блок 5 управления.
Кроме того, в устройстве преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию электрогенератор 1 выполнен в виде цилиндра, в первой стенке-основании 6 которого выполнено отверстие 7 для подачи рабочего тела, которое через первый электроклапан 8 соединен с выходом рабочего тела нагревателя 3, и отверстие 9 для вывода рабочего тела, которое через второй электроклапан 10 соединен со входом рабочего тела конденсатора-охладителя 4.
Дополнительно к указанному выше, во второй стенке-основании 11 выполнены клемма 12 заземления и клемма 13 подачи электрической энергии в нагрузку, которая соединена с входной клеммой контроля тока нагрузки блока 5 управления, входная клемма контроля температуры нагрева и входная клемма контроля температуры охлаждения которого соединены с выходными клеммами датчика 14 нагрева нагревателя 3 и датчика 15 температуры охлаждения конденсатора-охладителя 4, соответственно.
В устройстве преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию выходы управления насосом и первым и вторым электроклапанами блока 5 управления, соединены со входами управления насоса 2, и первого 8 и второго 10 электроклапанов, соответственно.
В этом же устройстве цилиндр содержит поршень 16, рабочая поверхность которого обращена в строну первой стенки-основания 6, с закрепленным на нем постоянным магнитом 17 цилиндрической формы, имеющем центральное отверстие 18, а также центрирующую ось 19, закрепленную во второй стенке-основании 11 и частично введенную в центральное отверстие 18 магнита, пружину 20, установленную между второй стенкой-основанием 11 и магнитом 17, и катушку 21 индуктивности на немагнитном каркасе 22, охватывающем пружину 20 и первый и второй выводы которой соединены, соответственно, с клеммой 12 заземления и клеммой 13 подачи электрической энергии в нагрузку, выполненными во второй стенке-основании 11 клеммой заземления 12 и клеммой 13 подачи электрической энергии в нагрузку, которая соединена с клеммой отрицательного потенциала силового диода 23.
Работает устройство преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию следующим образом.
Перед началом работы в блок 5 управления поступает информация от датчиков 14 и 15 о температуре нагревателя и конденсатора, соответственно. На основании этого из блока 5 управления поступает управляющее воздействие на насос 2, которое определяет давление нагнетания рабочего тела. При этом в соответствии с рабочей характеристикой насоса 2 меняется и подаваемое в нагреватель 3 количество рабочего тела.
Первоначально поршень 16 находится на некотором расстоянии от первой стенки-основания 6 цилиндра, которую можем назвать точкой начального положения - т.н.п. Из блока 5 управления поступает импульсный сигнал, который открывает первый электроклапан 2. Длительность импульсного сигнала определяется температурой охладителя, которая в виде измерительного сигнала поступает в блок 5 управления от датчика 15. Чем короче импульс, тем выше температура отработанного рабочего тела. То есть длительность импульса должна быть такой, чтобы температура отработанного рабочего тела была на 5-10°C выше, чем температура, определяемая датчиком 15.
Поршень 16 начинает движение, начинается фаза рабочего хода. В катушке 21 индуктивности возникает эдс, которая вызывает ток нагрузки. На поршень 16 действуют в основном следующие силы: - толкающая сила расширяющегося рабочего тела, равная произведению давления импульса рабочего тела на площадь поршня, и силы, препятствующие движению поршня, одна из которых пропорциональна электрической мощности отдаваемой в нагрузку, вторая - пропорциональна жесткости пружины 20 и силы трения Движение поршня 16 в фазе рабочего хода продолжается до тех пор, пока результирующая всех действующих сил не станет равной нулю. Эту точку можно назвать нижней точкой. Далее под действием энергии, накопленной в пружине 20, начинается фаза обратного хода поршня.
Снимаемое с катушки 21 напряжение используется не только для питания нагрузки, но и служит источником информации о положении поршня 16. Причем в нагрузку энергия поступает только в фазе рабочего хода поршня 16, для чего на выходе катушки 21 установлен силовой диод 23 в соответствующей полярности. Информация о положении поршня 16 поступает в фазах рабочего и обратного хода.
Изменение фазы рабочего хода на обратный ход сопровождается изменением полярности выходного напряжения, снимаемого с катушки 21, что служит сигналом для открытия второго электроклапана 3. Управляющее напряжение на второй электроклапан 3 из блока 5 управления поступает на протяжении всего обратного хода поршня 16, в процессе которого отработанное рабочее тело вытесняется в конденсатор-охладитель 4.
В процессе обратного хода поршень 16 по инерции, обусловленной массой постоянного магнита 17 и самого поршня 16, проходит через точку начального положения, достигая первой стенки-основания 6. После этого заканчивается обратный ход и начинается промежуточная фаза хода поршня 16, что сопровождается изменением полярности напряжения, снимаемого с катушки 21. При изменении полярности устройство управления закрывает второй электроклапан 3 и открывает первый электроклапан 2 и начинается фаза рабочего хода и весь цикл повторяется.
Предложенное устройство преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию может повысить эффективность работы, например, при использовании в качестве нагревателя 3 солнечных батарей, которые под воздействием солнечной энергии претерпевают значительный нагрев. Температура нагрева батарей может достигать значений выше предельно допустимой. Расположение солнечной батарея на нагревателе рабочего тела позволит получать дополнительную электрическую энергию и обеспечить нормальные условия работы батарей. В реальных условиях, например, при использовании солнечной энергии, достижимой считается температура нагрева 70-90°C. При этих значениях нагрев рабочего тела возможен до 60-70°C. Величину полезной работы в этом случае можно определить по диаграмме в координатах давление (P) - энтальпия (H). На фиг. 2 представлена диаграмма для изобутана, который используется в качестве рабочего тела.
1
1
3
2
2
3
1
2
На этой диаграмме цикл представлен двумя изобарами (A и C) и двумя адиабатами (B и D). Длина изобар Q=H-H и Q=H-H характеризует количество подводимого тепла к рабочему телу и отводимого от него соответственно. Адиабаты характеризуют количество вырабатываемой энергии E=H-H и затрачиваемой на сжатие рабочего тела (сжатие рабочего тела в жидкой фазе не требует затрат энергии).
Для эффективного теплообмена температура окружающей среды должна быть выше температуры нагрева (на диаграмме 60°С), а температура охладителя ниже температуры отработанного рабочего тела (на диаграмме 10°C). В условиях изменения температуры нагрева рабочего тела необходимо изменять давление нагнетания и массовый расход рабочего тела. При повышении температуры для повышения мощности следует увеличить давление, а при уменьшении - снизить, иначе рабочее тело будет оставаться в жидкой фазе. При повышении температуры охладителя выходная мощность снижается, что требует корректировки параметров преобразователя, а именно таким образом, чтобы температура отработанного рабочего тела была выше температуры охладителя. Таким образом, для достижения наибольшей эффективности параметры преобразователя должны изменяться соответственно изменению внешних условий - температуры нагрева и охлаждения, то есть преобразователь должен быть адаптивным.
Именно такое техническое решение и предлагается использовать для преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию, что доказывает достижение требуемого технического результата.
При необходимости увеличения электрической мощности, возможно параллельное включение преобразователей.