УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности, к устройствам преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую.
В настоящее время к наиболее эффективным солнечным электростанциям (СЭ) относят те, у которых фотоэлементы выполнены из арсенида галлия. В этом случае коэффициент полезного действия СЭ (преобразования солнечной радиации в электричество) может достигать 35%. Из экономических соображений батарею из подобных фотоэлементов изготавливают достаточно небольшой по размерам и располагают ее в фокусе концентратора солнечной энергии. Концентрация солнечной радиации на малой площади батареи приводит к значительному перегреву фотоэлементов, поэтому для поддержания температуры, значение которой ниже предельно допустимой (160°С), применяют специальные системы охлаждения.
Предлагается ввести в контур системы охлаждения преобразователь низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую. В этом случае часть тепловой энергии, отводимой в окружающее пространство, будет преобразовано в электрическую энергию, что позволит повысить эффективность всей электростанции.
Известно устройство [US 7096665, F01K 25/08, F01K 25/00, 22.01.2004], содержащее последовательно соединенные турбодетандер, компрессор и теплообменник, выход которого соединен с входом турбодетандера, а также электрогенератор, вход которого соединен с выходом турбодетандера.
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.
Известно также устройство преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию [RU 82962, U1, H02N 11/00, 10.05.2009], 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.
Этому устройству также присуще относительно низкая эффективностью преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию [RU 154280, U1, H02N 1/00, 20.08.2015], содержащее электрогенератор, насос, 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 через второй электроклапан соединено 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, выходы 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 сторону 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.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая эффективность преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию, что вызвано отсутствием возможности адаптации к внешним условиям для максимизации эффективности преобразования, например, при использовании устройства для преобразования тепловой энергии батарей фотоэлементов солнечных электростанций.
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, насос, нагреватель, вход подачи рабочего тела которого соединен с выходом насоса, конденсатор-охладитель, блок управления, причем, электрогенератор выполнен в виде герметичного цилиндра, в основании которого выполнено отверстие для подачи рабочего тела, и отверстие для вывода рабочего тела, которое через второй электроклапан соединен со входом рабочего тела конденсатора-охладителя, а в стенке 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, герметичный цилиндр содержит поршень, рабочая поверхность которого обращена в сторону основания герметичного цилиндра, на стенке которого закреплен постоянный магнит цилиндрической формы, имеющий центральное отверстие, а также центрирующую ось, закрепленную в герметичном цилиндре и частично введенную в центральное отверстие постоянного магнита цилиндрической формы, причем, электрогенератор выполнен с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршня в электрическую энергию, подаваемую в нагрузку через клемму подачи электрической энергии, согласно полезной модели, введены микроаккумулятор горячего рабочего тела, снабженный датчиком давления горячего рабочего тела, выход которого соединен со входом блока управления, а также микроаккумулятор жидкого рабочего тела, первый вход которого соединен с выходом подачи жидкого рабочего тела конденсатора-охладителя, второй вход - соединен с полостью за поршнем электрогенератора, а выход соединен со входом подачи рабочего тела насоса, причем, вход микроаккумулятора горячего рабочего тела соединен с выходом нагревателя, расположенного непосредственно у батареи фотоэлементов солнечной электростанции, а выход соединен со входом подачи горячего рабочего тела первого электроклапана.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная структурная схема устройства преобразования низкопотенциальной энергии фотоэлементов солнечных электростанций в электрическую энергию совместно с элементами солнечной электростанции;
на фиг. 2 - диаграмма цикла работы устройства преобразования низкопотенциальной энергии фотоэлементов солнечных электростанций в электрическую энергию.
На фиг. 1 обозначены: второй электроклапан 1, поршень 2, полость 3 за поршнем, электрогенератор 4, блок 5 управления, датчик 6 температуры нагрева рабочего тела, нагреватель 7, конденсатор-охладитель 8, микроаккумулятор 9 жидкого рабочего тела, насос 10, микроаккумулятор 11 горячего рабочего тела, датчик 12 давления горячего рабочего тела, первый электроклапан 13, батарея 14 фотоэлементов солнечной электростанции, возвратная пружина 15, бистабильный клапан-отсекатель 16 батареи фотоэлементов солнечной электростанции, теплообменник 17 батареи фотоэлементов солнечной электростанции, радиатор 18 системы охлаждения батареи фотоэлементов солнечной электростанции, клеммы 19 заземления и подачи электрической энергии в нагрузку, датчик 20 температуры охлаждения, перегородка с центрирующим отверстием (постоянный магнит) 21, центральная ось 22, герметичный корпус 23.
Устройство преобразования низкопотенциальной энергии фотоэлементов солнечных электростанций в электрическую энергию (фиг. 1) содержит электрогенератор 4, насос 10, нагреватель 14, вход подачи рабочего тела которого соединен с выходом насоса 10, конденсатор-охладитель 8 и блок 5 управления.
В устройстве преобразования низкопотенциальной энергии фотоэлементов солнечных электростанций в электрическую энергию электрогенератор 4 выполнен в виде герметичного корпуса 23, в основании которого выполнено отверстие для подачи рабочего тела через первый электроклапан 13 и отверстие для вывода рабочего тела, которое через второй электроклапан 1 соединен со входом рабочего тела конденсатора-охладителя 8.
Кроме того, в устройстве преобразования низкопотенциальной энергии фотоэлементов солнечных электростанций в электрическую энергию в стенке герметичного цилиндра электрогенератора 4 выполнены клеммы 19 заземления и подачи электрической энергии в нагрузку, которые соединены 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 6 температуры нагревателя и датчика 20 температуры охлаждения конденсатора-охладителя соответственно.
Дополнительно, к отмеченному выше, в устройстве в блоке 5 управления выходы управления насосом 10 и первым 13 и вторым 1 электроклапанами соединены со входами управления насоса 10 и первого 13 и второго 1 электроклапанов соответственно, при этом, герметичный цилиндр содержит поршень 2, рабочая поверхность которого обращена в сторону основания герметичного цилиндра электрогенератора 4, на стенке которого закреплен постоянный магнит 21 цилиндрической формы, имеющий центральное отверстие, а также центрирующую ось 22, закрепленную в герметичном цилиндре и частично введенную в центральное отверстие постоянного магнита 21 цилиндрической формы.
В предложенном устройстве электрогенератор 4 выполнен с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения поршня 2 в электрическую энергию, подаваемую в нагрузку через клемму 19 подачи электрической энергии.
Кроме того, устройство содержит микроаккумулятор 11 горячего рабочего тела, снабженный датчиком 12 давления горячего рабочего тела, выход которого соединен со входом блока 5 управления, а также микроаккумулятор 9 жидкого рабочего тела, первый вход которого соединен с выходом подачи жидкого рабочего тела конденсатора-охладителя 8, второй вход - соединен с полостью за поршнем 2 электрогенератора 4, а выход соединен со входом подачи рабочего тела насоса 10, причем, вход микроаккумулятора 11 горячего рабочего тела соединен с выходом нагревателя 7, расположенного непосредственно у батареи 14 фотоэлементов солнечной электростанции, а выход соединен со входом подачи горячего рабочего тела первого электроклапана 13.
Работает устройство преобразования низкопотенциальной энергии фотоэлементов солнечных электростанций в электрическую энергию следующим образом.
Предварительно отметим, что для обеспечения максимальной эффективности использования устройства, одним из важных требований является то, что оно должно быть расположено рядом с батареей 16 фотоэлементов солнечной электростанции, поэтому требуется обеспечить его малые массу и габариты. В этом случае отпадает необходимость в дополнительном контуре нагрева рабочего тела, связывающем преобразователь с батареей.
2
2
Проведем обоснование параметров термодинамического цикла (ТДЦ), в соответствии с которым будет работать устройство. Относительно температуры нагрева рабочего тела в устройстве следует учитывать следующие предпосылки. Максимальная рабочая температура для арсенида галлия - 150-160°С, поэтому максимальная температур нагрева - 140°С. Однако, это значение может быть меньше в утренние и вечерние часы, поэтому для сохранения работоспособности в устройстве должна производиться корректировка параметров, то есть производиться адаптация к условиям внешней среды. Относительно охлаждения и конденсации рабочего тела следует учитывать следующие допущения. Коэффициент полезного действия устройства тем выше, чем ниже температура отработанного рабочего тела. Однако, важным параметром является площадь теплообменника отработанного рабочего тела с окружающей средой. Эта площадь тем больше, чем меньше разность температур отработанного рабочего тела и окружающей среды. В настоящее время нередки проекты плавучих солнечных электростанций, что обеспечивает температуру отработанного рабочего тела до 25°С. Возможно охлаждение рабочего тела извлекаемой водой или за счет подповерхностного грунта (10°С). Не лучшим вариантом является воздушное охлаждение, так как требуется большая площадь радиатора охлаждения. Важным параметром является количество тепла для нагрева рабочего тела. Для того, чтобы определить конкретные значения параметров ТДЦ необходимо определить количеством теплоты, подводимой к рабочему телу. Количество тепла определяется площадью концентратора и мощностью солнечного излучения. Считается, что предельным значением мощности солнечного излучения является 1000 вт/м. Площадь концентратора принимаем равной 4 м (2 м ×2 м). То есть предельная мощность излучения равна 4000 Вт. К.п.д. батареи из арсенида галлия может достигать 35% (1400 Вт), остальное количество теплоты (2600 Вт) необходимо отвести от батареи для нагрева рабочего тела.
Для указанных параметров качестве рабочего тела (РТ) целесообразно использовать воду. При указанных значениях параметров рациональным является обеспечение давления нагнетания РТ около 4 бар, а расход рабочего тела 1 г/с. В этом случае рабочему телу сообщается около 2600 Дж тепла, расширение происходит до температуры 60°С и давления 0,2 бар. При указанных параметрах можно получить до 450 Дж (2750-2300) энергии. К.п.д устройства может достигать 18%.
Если имеется низкотемпературный источник охлаждения (до 10°С), то возможно либо снижение температуры отработанного РТ, либо в устройство может быть введен контур для второго РТ, например, бутана. Во втором случае конденсация первого РТ производится за счет нагрева второго РТ. При конденсации 1 г воды возможен нагрев и испарение 6 г бутана, что позволяет произвести дополнительно 40×6=240 Дж энергии при расширении второго РТ. При этом общий к.п.д. преобразователя составит около 27,6%. Теоретически к.п.д всей станции может составить около 62% при общей мощности 2090 Вт.
3
3
Важным условием успешной реализации устройства являются приемлемые его габариты и масса, которые, в основном, определяются параметрами электрогенератора. Масса и габариты снижаются при увеличении частоты возвратно-поступательного движения поршня, которая ограничена длительностью импульса и коэффициентом расширения РТ. На фиг. 2 представлена циклограмма работы в виде графика, где НМТ - нижняя мертвая точка, ВМТ-верхняя мертвая точка. Как видно из графика, импульс РТ подается на вход преобразователя один раз в течение периода Т колебаний поршня. Расширение РТ происходит с 0,5 м/кг до 7 м/кг, то есть в 14 раз в течение времени соответствующему Т/2. Так при реально достижимой длительности импульса РТ в 0,3 мс период Т=0,3×14×2=8,4 мс, что соответствует частоте 1/Т=119 Гц. При такой частоте движения поршня в каждый период на вход электрогенератора поступает 1/119=8,4 мг РТ.
Немаловажным является тот факт, что импульс РТ должен иметь достаточно крутые передний и задний фронты.
Полость 3 за поршнем 2 соединена с микроаккумулятором 9 жидкого рабочего тела. В ней создается разряжение в соответствии с параметрами термодинамического цикла. Нагреватель 7 и микроаккумулятор 11 горячего рабочего тела 4 расположены непосредственно у батареи 16 фотоэлементов солнечной электростанции.
Первоначальный запуск устройства осуществляется за счет электрической энергии, вырабатываемой батареей 16. Далее устройство работает следующим образом. На клапан 16 из блока 5 управления подается импульс и происходит отключение системы охлаждения солнечной батареи. При достижении заданной температуры солнечной батареи (по сигналу от датчика 6) система управления 5 включает насос 10, который нагнетает некоторое количество холодного рабочего тела через нагреватель 7 в микроаккумулятор 11 до достижения требуемого давления (по сигналу от датчика 12). После этого насос отключается.
Начальное положение поршня 2 - несколько выше средней точки между нижней и верхней мертвыми точками. Это необходимо для исключения соударения поршня 2 о нижнюю стенку корпуса.
В некоторый момент времени на первый электроклапан 13 подается открывающий импульс. Длительностью импульса определяется необходимое количество рабочего тела, подаваемое в электрогенератор.
Расширение рабочего тела происходит от НМТ до ВМТ. Основная работа расширения РТ затрачивается на создание тока в нагрузке и сжатия возвратной пружины 15. При движении поршня 2 в обратном направлении накопленная энергия пружины 15 позволяет произвести выпуск отработанного РТ и обеспечить ток в нагрузке.
Произведенный расчет показывает, вес устройства мощностью около 450 Вт при частоте движения поршня 100 Гц составляет около 4 кг, при размере площадки, на которой он закреплен 20 см ×20 см.
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эффективности преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды в электрическую энергию.