СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА И/ИЛИ БИОГАЗА
METHOD TO PRODUCE RESERVE POWER FROM THERMAL ENERGY OF SUN AND/OR BIOGAS

Изобретение относится к энергетике, конкретно к барогальваническим генераторам для преобразования тепловой энергии в электрическую.
Известны способы преобразования солнечной энергии в электроэнергию (Б.Андерсон, «Солнечная энергия (Основы строительного проектирования)», М.: Стройиздат, 1982 г.) [1].
Известен способ и устройство прямого преобразования солнечной энергии в электричество с помощью барогальванического преобразователя (С.А.Сидорцев «О барогальваническом преобразователе солнечной энергии в электричество и тепло», ж. «Гелиотехника» №3, 1984 г.) [2].
Способ прямого преобразования солнечного тепла в электричество [2] принят за прототип и обладает рядом перспективных достоинств, к которым следует отнести: высокую энергетическую эффективность, отсутствие движущихся частей, дешевое рабочее тело, малый удельный вес, поскольку в современных условиях электродный блок генератора может быть изготовлен с использованием новых наноматериалов (углеродных нанотрубок) и нанотехнологий.
Технической задачей изобретения является разработка способа получения резервной электроэнергии из тепловой энергии солнца и/или сжигаемого биогаза.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения это: 1 - повышение удельной мощности прямого преобразования солнечного тепла в электричество; 2 - выработка одноразового наперед заданного количества киловатт-часов электроэнергии.
Для решения сформулированной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе [2] получения электроэнергии путем прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в барогальваническом генераторе, путем нагрева и перегрева рабочего тела в жидкой фазе в полости высокого давления, его ионизации на границе: электрод высокого давления - электролит, переноса ионов рабочего тела через слой электролита под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов рабочего тела на границе: электролит - электрод низкого давления и поступления рабочего тела в виде перегретого пара от электрода низкого давления в полость низкого давления, в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, а полость низкого давления сообщают с земной атмосферой вблизи поверхности Земли, в которую самопроизвольно выпускается перегретый пар низкого давления рабочего тела.
Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения станут понятными при рассмотрении прилагаемых фигур.
Фиг.1. Функциональная схема барогальванического электрогенератора, в котором реализуется предлагаемый способ получения электроэнергии: а) в начале работы генератора; б) в конце работы генератора.
Фиг.2. Изображение в T-S диаграмме (температура - энтропия): совокупность термодинамических процессов, характеризующих предлагаемый способ получения электроэнергии (сплошные линии) и термодинамический цикл способа-прототипа получения электроэнергии (пунктирные линии).
Фиг.3. Расчетные значения напряжений (V) и удельной мощности (W) на клеммах барогальванического электрогенератора, работающего по предлагаемому способу (сплошные линии) и способу-прототипу (пунктирные линии).
1
1
р.т.
1
2
2
1
1
-5
-5
На фиг.1 изображено: 1 - токогенерирующая ячейка барогальванического электрогенератора; 2 - полость высокого давления перегретого жидкого рабочего тела (перегретого жидкого йода) с давлением P=2,5 атм, температурой Т=573 К, с максимальной массой рабочего тела М=max и объемом полости 2 - V=const; 3 - полость низкого давления с температурой T=573 К перегретого пара низкого давления рабочего тела и давлением Р=2,5·10 атм (перегретый пар йода низкого давления); 4 - пористый электрод высокого давления; 5 - пористый (газодиффузионный) электрод низкого давления; 6 - электролит (например, йодистое серебро); 7 - дырчатая (перфорированная) стенка, ограничивающая полость низкого давления 3; 8 - самопроизвольное выпускание перегретого пара низкого давления Р=2,5·10 атм (йода) с температурой Т=573 К в атмосферу Земли в процессе выработки электроэнергии ячейкой 1; 9 - выходные электрические клеммы ячейки 1 электрогенератора; Q - подвод тепла солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза к ячейке 1 электрогенератора.
тв.
пл.
2
пл.
3
2
пл.
1
4
1
5
1
2
3
4
5
1
2
1
2
-5
На фиг.2 изображено: К - критическая точка; Х=1 - линия жидкого рабочего тела; (10-11-12-13-14) - совокупность термодинамических процессов, характеризующих предлагаемый способ получения электроэнергии: (10-11) - процесс нагрева твердого рабочего тела (кристаллического йода) от твердого состояния Т до температуры плавления Т=386,6 К с поглощением солнечного тепла Q; (11-12) - процесс плавления твердого рабочего тела и переход его в жидкое состояние при температуре Т=386,6 К с поглощением солнечного тепла Q - теплоты фазового перехода; (12-13) - процесс нагрева жидкого рабочего тела (йода) при постоянном давлении Р=2,5 атм от температуры Т=386,6 К до температуры, равной T=573 К, - температуре перегрева жидкого йода с поглощением тепла Q; (13-14) - процесс изотермической выработки электрической энергии в ячейке 1 при температуре T=573 К с поглощением тепла Q, при этом Q=Q+Q+Q+Q; 13 - точка на T-S диаграмме, в которой рабочее тело находится в перегретом жидком состоянии с температурой Т=573 К и давлением Р=2,5 атм; 14 - точка на T-S диаграмме, в которой рабочее тело находится в виде перегретого пара низкого давления с температурой T=573 К и давлением Р=2,5-10 атм; (15-16-17-18-19-20-15) - термодинамический цикл на T-S диаграмме способа-прототипа получения электроэнергии: (15-16) - процесс нагрева твердого рабочего тела (йода) до температуры плавления; (16-17) - процесс плавления рабочего тела; (17-18) - процесс нагрева и перегрева жидкого рабочего тела; (18-19) - процесс изотермической выработки электроэнергии; (19-20) - процесс охлаждения перегретого пара рабочего тела; (20-15) процесс изотермического перехода от сухого пара до твердого состояния рабочего тела (кристаллического йода).
Барогальванический электрогенератор работает по предлагаемому способу следующим образом.
1
1
1
1
Тепловая энергия сконцентрированного солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза Q поднимает температуру ячейки 1 до температуры T=573 К, при которой находящееся в полости высокого давления 2 рабочее тело будет находиться в перегретом состоянии с давлением P=2,5 атм и температурой T=573 К.
1
Рабочий процесс токообразования в ячейке 1 состоит в ионизации жидкого йода высокого давления P в полости 2 по реакции  на границе: электрод 4 - электролит 6, перетоке ионов через слой электролита 6 под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов йода на границе: электролит 6 - электрод 5 по реакции  в полости 3.
5
2
2
2
2
2
2
2
-5
-4
-4
-5
-4
Расширение жидкого йода через электродный блок, включающий электроды 4 и 5 и электролит 6, происходит изотермически с поглощением тепла Q (фиг.2, процесс (13-14)). Пар йода низкого давления Р=2,5·10 атм (у прототипа Р2 соответствует давлению упругих паров над твердым йодом при температуре Т=300 К и составляет величину Р'=2,5·10 атм (Дж.Кэй, Т.Лэби «Таблицы физических и химических постоянных», физ-мат. литература, М., 1962, с. 112) через отверстия 8 стенки 7 будет уходить в атмосферу вблизи поверхности Земли. В ней отсутствует йод, и поэтому в атмосфере Земли нет парциального давления пара йода - оно равно нулю. Давление воздуха порядка 1 атмосферы не будет препятствовать быстрому уходу перегретого пара йода от электрода 5 через отверстия 8 стенки 7 в воздушную окружающую среду вблизи поверхности Земли. Это давление Р будет ниже давления упругих паров йода над твердой фазой Р'=2,5·10 атм. Поскольку в реальности давление Р неизвестно, то примем его Р=2,5·10 атм, отличающееся от Р'=2,5·10 атм в 10 раз в сторону уменьшения.
Электродвижущая сила токогенерирующей ячейки 1 определится по формуле:
где ΔG - перепад термодинамического потенциала Гиббса - Дж/моль;
Z - валентность иона йода, переносчика заряда в системе Z=2;
-4
F - число Фарадея, 96500 Кл/моль ≈10 Кл/моль;
R - газовая постоянная, ;
1
2
т.я.
1
-5
Р=2,5 атм; Р=2,5·10 атм; Т=Т=573 К. Подставляя значения величин в формулу (1), получим напряжение на клеммах 9 ячейки 1 генератора:
Удельная мощность на клеммах 9 ячейки 1 генератора определяется формулой:
2
где J - плотность тока на электродах 4, 5, А/см.
электр
В качестве электролита примем йодистое серебро AgI с электропроводностью æ≈0,1 1/Ом·см, и толщину электролита примем δ=0,1 см, тогда формула (3) примет вид:
На фиг.3 представлены расчетные значения напряжений на клеммах 9 одной ячейки и ее удельной мощности, рассчитанные по формулам (1 - 4) в зависимости от плотности тока на электродах 4, 5 ячейки 1. По формулам (1-4) были рассчитаны аналогичные значения напряжения V и удельной мощности W токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу (пунктирные линии).
ген
прот.
ген.
прот.
ген.
прот.
2
2
2
2
Как видно из графика (фиг.3), при работе ячейки 1 генератора в режиме максимальной удельной мощности, составляющей W=0,108 Вт/см (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу W=0,05 Вт/см) напряжение на клеммах 9 ячейки 1 будет равно V=0,33 В (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу - V=0,225 В), при плотности тока J=0,33 А/см (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, J=0,225 А/см).
Удельный расход рабочего тела-йода через электродный блок, включающий электроды 4, 5 и электролит 6, ячейки 1 однозначно задается законом Фарадея:
где g - удельный расход рабочего тела через электродный блок ячейки 1, г/сек;
пол.
4
5
I - полный ток, вырабатываемый всей поверхностью электродов 4, 5, S=S;
яч.
4
5
S - площадь электрода 4 или 5, S=S;
А - атомный вес рабочего тела, йода, г/моль (для йода А=126,91 г/моль ≈ А=127 г/моль).
Примем для расчета удельного расхода:
яч.
электрода 4,5
2
S=S=100 см
часовой расход рабочего тела будет равен:
суточный расход рабочего тела будет равен:
р.т.
масса заправки рабочим теплом М полости 2 (фиг.1) будет равна:
где n - время в сутках работы электрогенератора.
Таким образом, использование предлагаемого способа получения электрической энергии позволяет: повысить удельную мощность прямого преобразования тепла солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза в электричество и обеспечить выработку резервного, одноразового, наперед заданного, количества киловатт-часов электроэнергии.