УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ ТЕПЛА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR OBTAINING ELECTRIC ENERGY FROM AMBIENT HEAT

Изобретение относится к одному из направлений альтернативной энергетики малых мощностей, а именно к устройствам для преобразования непосредственного тепла окружающей среды, а также рассеянной и прямой солнечной радиации посредством теплопередачи в электроэнергию, и может найти применение в электроснабжении электронно-бытовой и цифровой техники, для зарядки любых телефонов: мобильных, смартфонов, радиотелефонов, а также использовано для питания энергосберегающих лампочек (в светильниках) и светодиодных лент.
Известен аммиачный двигатель атмосферного тепла и способ его работы (патент RU №2117165, от 10.08.1998 г.).
Аммиачный двигатель атмосферного тепла состоит из генератора электрического тока и теплового насоса, включающего воздушный компрессор, горячий теплообменник и воздушную турбину, а также аммиачную турбину, выходной патрубок которой связан с конденсатором, выходной патрубок которого связан с входом жидкостного насоса, а входной патрубок турбины связан с выходным патрубком горячего теплообменника теплового насоса.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, обусловленная наличием двух турбин, требующих дополнительного оборудования (компрессора) и самое главное - потребность в большом количестве воды.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является устройство и способ получения электроэнергии из тепла окружающей среды (патент RU №2338893, от 20.11.2008 г.).
Устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды состоит из испарителя, поршневого двигателя с валом и клапанным парораспределением, конденсатора, насоса, генератора электрического тока. Оно выполнено в виде накопителя тепловой энергии, представляющего собой металлический фотозонт с максимально развитой поверхностью, соединенный тепловыми трубками с корпусом испарителя, выход которого соединен с входом поршневого двигателя, вал которого посредством зубчатой передачи передает вращательный момент валу генератора электрического тока, установленному соосно. Выход поршневого двигателя соединен с входом конденсатора, внешняя развитая поверхность которого смачивается водой из бака трубчатым водораспределителем с помощью капельно-пленочного оросителя, установленного над конденсатором, а влажная поверхность конденсатора обдувается воздухом с помощью вентилятора, установленного рядом с конденсатором, выход которого связан с входом жидкостного ресивера, расположенного под конденсатором. Выход ресивера подключен к входу плунжерного насоса, выход которого соединен трубопроводом-регенератором, внутри которого установлен обратный клапан, с входом испарителя. Между испарителем и поршневым двигателем установлен шаровой вентиль. Кроме того, шаровой вентиль установлен между поршневым двигателем и конденсатором, между конденсатором и ресивером, между последним и плунжерным насосом, а также между насосом и регенератором.
Главным недостатком устройства, принятого за прототип, является сложность и громоздкость конструкции, обусловленная наличием дополнительного оборудования, а именно: электровентилятора, циркуляционного насоса и емкостного ресивера, а также использование энергозатратного рабочего тела в виде двухфазного легкокипящего вещества, что снижает выходную мощность на валу двигателя на величину затрат привода плунжерного насоса и вентилятора и, вместе с тем, на преодоление в термодинамическом цикле скрытой теплоты испарения и конденсации рабочего тела.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции, повышение мощности и КПД устройства, а также снижение затрат на выработку электроэнергии.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предлагаемое устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды, состоящее из поршневого двигателя с выходным валом, трубопровода с регенератором, рабочего тела, генератора электрического тока, бака с трубчатым водораспределителем, капельно-пленочного оросителя, шаровых вентилей, выполнено в виде двухцилиндрового двигателя Р.Стирлинга, имеющего горячий цилиндр, состоящий из корпуса с головкой, камеры, внутри которой установлен вытеснительный поршень со штоком и шатуном, вращающим выходной вал, и холодный цилиндр, также состоящий из корпуса с головкой и камеры, внутри которой размещен рабочий поршень, передающий дополнительный вращательный момент сил с помощью шатуна на выходной вал с маховиком, передающим вращательный момент с помощью зубчато-ременной передачи валу генератора электрического тока, установленному соосно; головка горячего цилиндра соединена полыми трубками с нагревателем, выполненным в виде металлического накопителя тепловой энергии с развитой поверхностью теплообмена; выход горячего цилиндра подключен к трубопроводу с установленным в нем регенератором, внутри которого размещена проволочная матрица; выход регенератора через трубопровод подключен к камере холодного цилиндра, снабженного водоиспарительной системой охлаждения, состоящей из двух мини-градирен, бака, трубчатого водораспределителя с капельно-пленочным оросителем, установленными по уровню выше двигателя Стерлинга, а также головки холодного цилиндра, соединенной через термоинтерфейс с блоком тепловых трубок, отводящих тепло от корпуса цилиндра с помощью радиатора-холодильника, являющегося теплообменником и постоянно смачиваемого водой в двух мини-градирнях; на горячий и холодный цилиндры с помощью шаровых вентилей установлены юстированные датчики давления и температуры; кроме того, устройство снабжено литий-ионным аккумулятором, электронным блоком управления и стартером.
Головка горячего цилиндра является теплообменным элементом и соединена с корпусом самого цилиндра через теплопроводящую прокладку герметичным фланцевым соединением при помощи комплекта болтов; корпус горячего цилиндра снабжен смотровым стеклом для визуального наблюдения за состоянием вытеснительного поршня, заполненного теплоизолирующим материалом.
Соединительные трубки, обеспечивающие приток тепла к рабочему телу в головке горячего цилиндра, снабжены внутри проволочными матрицами для аккумуляции и передачи тепловой энергии.
Система охлаждения холодного цилиндра выполнена на основе термоинтерфейса - тонкого слоя многокомпонентного теплопроводящего состава.
Блок тепловых трубок соединен с радиатором-холодильником при помощи пайки или каким-либо другим способом. Крышка головки холодного цилиндра выполнена из меди, причем на плоскую поверхность крышки с внешней стороны нанесены полоски одно- или двухслойного графена.
Поверхность холодного цилиндра в области термоинтерфейса покрыта снаружи слоем теплоизоляционного материала.
Две мини-градирни снабжены в нижней части каплеуловителями для исключения перелива влаги.
В качестве рабочего тела используется газообразный гелий Не.
Бак с водой оснащен штуцером для подпитки и стеклом Клингера для визуального наблюдения за уровнем воды.
Устройство снабжено автоматизированной системой управления регулирующим клапаном, установленным снизу на выходе из бака с водой.
Использование в устройстве двигателя Р. Стирлинга, представляющего собой главный энергетический узел системы и имеющего горячий и холодный цилиндры, обеспечивает постоянную разность температур [ΔT] между ними, благодаря эффекту испарения воды с поверхности радиатора-холодильника. Испарение воды может продолжаться круглые сутки, независимо от положения солнца. Даже если температура корпуса горячего цилиндра равна температуре окружающей среды, перепад температур между цилиндрами будет всегда и предлагаемое устройство сможет работать как днем, так и ночью, когда прямая солнечная радиация отсутствует. При этом в двигателе Стирлинга используется цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно и даже обладает преимуществом. Термодинамический цикл Стирлинга обладает термическим КПД, приблизительно равным максимально возможному КПД цикла Карно.
Корпус горячего цилиндра снабжен смотровым стеклом (например, теплостойкое фторакрилатное органическое стекло Э-2У) для визуального наблюдения за физическим состоянием вытеснительного поршня.
Головка горячего цилиндра является теплообменным элементом конструкции и выполнена из технически чистой меди. В ней происходит концентрация впитанной из окружающей среды тепловой энергии и передача ее рабочему телу посредством энергообменных процессов, то есть за счет тепло- и массообмена. Максимально возможная температура в камере горячего цилиндра: +100°C.
Вытеснительный поршень периодически вытесняет рабочее тело из камеры горячего цилиндра в процессе работы. Вместе с тем он предназначен для перемещения рабочего тела между локально расположенными горячей и холодной полостями. Поршень имеет каркас из композиционных материалов (например, сотопласт из теплостойкого полимера), а наполнение самого объема поршня - теплоизолирующее для уменьшения поглощения тепла рабочего тела с целью сохранения его энтальпии (т.е. теплосодержания) и одновременно для уменьшения веса конструкции.
Выполнение нагревателя устройства в виде металлического накопителя тепловой энергии с развитой поверхностью теплообмена обеспечивает теплоприток к рабочему телу в головке горячего цилиндра с помощью соединительных трубок, причем внутри каждой из таких трубок размещаются проволочные элементы - матрицы, для аккумуляции тепловой энергии с одной стороны и быстрой ее передачи с другой. Помимо этого, матрицы искусственно турбулизируют поведение рабочего тела в пограничном пристеночном слое, что увеличивает теплообмен между рабочим веществом внутри трубок и окружающей средой. Более того, развитая поверхность нагревателя позволяет свободным конвективным течениям воздуха с внешней стороны сообщать посредством теплообмена требуемое количество энергии в систему.
Благодаря тому, что выход горячего цилиндра соединен с входом в камеру холодного цилиндра, тепловая энергия рабочего тела переходит в механическую работу на валу устройства из-за движения поршней. А так как вал посредством зубчато-ременной передачи передает вращательный момент валу генератора электрического тока, установленному соосно, механическая энергия преобразуется в электрическую согласно закону сохранения.
Регенератор, установленный на трубопроводе, соединяющем камеры цилиндров, выполнен в виде отдельного модуля и в значительной степени повышает КПД термодинамического цикла, позволяя экономить тепло, полученное рабочим телом в нагревателе устройства.
Разница температур между цилиндрами двигателя Р. Стирлинга достигается особенностью предлагаемого устройства, а именно наличием двух теплообменников: нагревателя, подводящего тепло из окружающей среды к рабочему телу в первом цилиндре и радиатора-холодильника, быстро отбирающего тепло от второго цилиндра при помощи тепловых трубок, за счет эффекта испарения воды с поверхности радиатора-холодильника.
Корпус нагревателя - сухой, следовательно, его температура с физической точки зрения измеряется по сухому термометру. Корпус же радиатора-холодильника постоянно мокрый, а значит, и его температура измеряется по влажному термометру, показания которого всегда ниже, чем у сухого из-за эффекта испарения воды, согласно «Психрометрической таблице». Таким образом, наличие разности температур между нагревателем и радиатором-холодильником при полном отсутствии солнца приводит к появлению разности температур между цилиндрами и согласно теореме С.Карно обеспечивает функционирование устройства даже ночью.
Система охлаждения холодного цилиндра собрана на основе термоинтерфейса - слоя многокомпонентного теплопроводящего состава, например термопасты КПТ-8, Алсил-3 или заливочного компаунда.
Блок из тепловых трубок соединен с радиатором-холодильником при помощи пайки или каким-либо другим способом. Между корпусом цилиндра и крышкой головки предусмотрена теплопроводящая прокладка.
Назначение системы охлаждения состоит в понижении температуры газообразного рабочего тела в камере над рабочим поршнем и в побуждении теплопритока из окружающей среды через стенки нагревателя, т.к. температура рабочего тела в трубках нагревателя чуть ниже температуры окружающей среды.
Для обеспечения надежного теплового контакта на плоскость крышки головки холодного цилиндра со стороны прилипания термопасты нанесены полоски одно- или двухслойного графена, что повышает теплопроводность зоны соединения по всей площади контакта.
Так как внешняя, развитая поверхность радиатора-холодильника смачивается водой в мини-градирнях из бака трубчатым водораспределителем, установленным над оросителем, газообразное рабочее тело, контактируя со стенками холодного цилиндра, остывает и приобретает температуру ниже температуры окружающей среды по сухому термометру.
Поверхность холодного цилиндра в области термоинтерфейса покрыта слоем теплоизоляционного материала для уменьшения явного теплового контакта головки цилиндра с окружающей средой (например, как солнцезащитный кожух) с целью понижения температуры в камере над рабочим поршнем, а также с целью создания холодильного эффекта.
Капельно-пленочный ороситель предназначен для предварительного охлаждения воды до момента встречи капель с радиатором-холодильником.
Капельно-пленочный ороситель замедляет падение капель воды из трубчатого водораспределителя на поверхность радиатора-холодильника, одновременно увеличивая площадь орошения и поверхность соприкосновения между водой и воздухом, создавая благоприятные условия для ускорения процесса охлаждения одного из цилиндров. Понижение температуры охлаждающей жидкости (воды) способствует увеличению КПД устройства. Ороситель выполнен из полипропилена или ПНД марки 273 (полиэтилен низкого давления).
Для сбора воды, не успевшей испариться, в градирнях предусмотрены поддоны-каплеуловители в форме легких и прочных пластиковых чаш. Помимо этого для исключения перелива предусмотрен отвод воды в промежуточную емкость.
В отличие от прототипа, вместо фреона, в качестве рабочего тела устройства служит гелий (He) - нейтральный газ, что существенно повышает экологическую чистоту установки. Гелий широко распространен в природе, это один из самых легких газов и он не влияет на озоновый слой атмосферы Земли. Рабочее тело находится в замкнутом пространстве и во время работы не расходуется и не заменяется.
Отсутствие фазовых переходов у рабочего тела в процессе реализации термодинамического цикла позволяет существенно повысить КПД и мощность устройства, т.к. уже не требуется затрачивать дополнительное тепло на преодоление скрытой теплоты.
Датчики давления и температуры, установленные на цилиндрах с использованием импульсных киповских трубок, позволяют отслеживать термодинамические параметры при плавном выходе устройства на режим, а также при стабильной работе.
Запас воды для орошения хранится в баке, расположенном выше всех по уровню, что обеспечивает поступление воды в трубчатый водораспределитель под действием силы тяжести. Давление воды в отверстиях водораспределителя равно гидростатическому давлению столба жидкости между уровнем воды в баке и вертикальной координатой отверстий.
Бак и трубчатый водораспределитель выполнены из металлопластика для увеличения срока службы материалов изделий и уменьшения массы устройства. При этом бак оснащен стеклом Клингера для визуального наблюдения за уровнем воды, что удобно в процессе эксплуатации.
Отверстия на трубчатом водораспределителе ориентированы вверх для обеспечения эффекта фонтанирования. Количество и диаметр отверстий рассчитаны исходя из условия равномерного орошения.
С целью контроля за работой устройства: изменением давлений в камерах цилиндров, влажности и температуры окружающей среды, количеством оставшейся в баке воды, а также для более гибкого управления регулирующим клапаном подачи воды на орошение, предусмотрен электронный блок управления ЭБУ, включающий и выключающий устройство при помощи клавиш «старт-стоп».
Устройство снабжено автоматизированной системой управления регулирующим клапаном, установленным снизу на выходе из бака с водой при помощи датчика уровня жидкости и датчика влажности окружающей среды, а также микроконтроллера в электронном блоке управления, формирующего сигнал, идущий на приоткрывание либо на закрытие сечения клапана.
Кроме того, устройство оснащено литий-ионным аккумулятором, который может подзаряжаться в ходе работы двигателя.
Нагреватель и радиатор-холодильник изготавливаются из меди и алюминия (оребрение KL-типа выполняется из пластичного алюминия, а трубки из меди) с целью уменьшения времени выхода устройства на режим и стабилизации всех процессов при работе, так как коэффициенты теплопроводности меди и алюминия влияют на КПД устройства в целом.
Так как получение электроэнергии из тепла окружающей среды и работа устройства осуществляется круглосуточно, в начале цикла, в качестве источника нагрева объемного рабочего тела в первом цилиндре используют прямую солнечную радиацию при ясной погоде или атмосферное излучение при пасмурной, а ночью - непосредственное тепло окружающей среды посредством теплопередачи, то есть за счет естественных конвективных течений воздуха в природе.
При этом электрический аккумулятор служит вспомогательным источником энергии для сообщения устройству первоначального импульса - поворота маховика выходного вала и зацепление его в работу с электрогенератором с помощью стартера.
Благодаря отсутствию клапанного механизма в цилиндрах, работа установки является фактически бесшумной.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства. На фиг. 2 представлен разрез трубки нагревателя.
Устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды состоит из горячего цилиндра 1, корпус 2 которого выполнен из легкого и прочного, теплостойкого (металлического) композита; головки блока цилиндра 3, где происходит инициализация процесса расширения рабочего тела; камеры цилиндра 4, представляющей собой один из основных энергетических узлов, где протекает рабочий процесс; вытеснительного поршня 5, способного перемещаться без трения о стенки цилиндра реверсивно под воздействием на него давления со стороны рабочего тела; холодного цилиндра 6 двигателя Стирлинга; корпуса или обечайки цилиндра 7; головки блока цилиндра 8, в области которой происходит остывание рабочего вещества; холодной камеры 9, являющейся вторым из основных узлов, где наряду с остаточным расширением и совершением полезной работы одновременно идет и интенсивное охлаждение рабочего тела при контакте со стенками цилиндра; рабочего поршня 10; теплопередающих трубок 11, внутрь которых помещены матричные интенсификаторы; нагревателя 12, который по своей сути является теплообменным аппаратом, изготовленным из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (медь, алюминий); трубопровода 13, соединяющего два цилиндра; регенератора 14, в котором рабочее тело немного охлаждается при перетекании из горячей полости в холодную и наоборот - подогревается, забирая отданное тепло на обратном пути из холодной камеры в горячую; слоя термопасты 15 для обеспечения качественного теплового контакта; блока 16, где размещены чуть теплые концы тепловых трубок на пайке; тепловых трубок ТТ 17, своего рода «тепловых диодов»; радиатора-холодильника 18; стеклопластиковых мини-градирен 19 с естественной тягой; пластикового бака-резервуара с водой 20; трубчатого (дырчатого) водораспределителя 21; капельно-пленочного оросителя 22; мини-арматуры (или шаровых вентилей) 23; прецизионных цифровых датчиков 24 для измерения температуры и давления в камерах цилиндров; штока и уплотнителя 25; шатунов 26; выходного вала устройства 27; зубчато-ременной передачи 28; маховика электрогенератора 29, входящего в зацепление посредством зубчато-ременной передачи с колесом выходного вала; литий-ионного аккумулятора 30; электронного блока управления (ЭБУ) 31 с встроенным микроконтроллером; стартера или пускателя 32; фланцевого соединения 33; плоской крышки головки 34, выполненной из меди и покрытой с внешней стороны слоем моно- или биграфена; теплоизоляционного кожуха 35; поддонов-каплеуловителей 36 с воронкой по центру для слива; отводящих пластиковых водопроводных труб 37; клапана с электроприводом 38, регулирующего подачу (т.е. расход) воды на охлаждение и одновременно выполняющего функцию запорной арматуры на случай прекращения подачи воды; инвертора 39; подключаемой полезной нагрузки 40, например мобильного телефона-коммуникатора; а также ключа 41 - электрического коммутационного устройства, служащего для замыкания и размыкания цепи; датчика 42 влажности SHT71 (представляющего собой полупроводниковый измерительный прибор, в состав которого включены сенсоры температуры и влажности); датчика уровня 43; открывающихся на 90° окон 44 для поступления свежего воздуха в градирни; уровнемера в виде стекла Клингера 45; соединительных импульсных трубок 46 малого диаметра; стационарной рамной подставки или опоры 47 под двигатель; предусмотренного USB интерфейса 48; шлейфа проводов 49; сигнальных линий 50; трубопровода 51 подпитки водой (из источника, дождеприемника и т.д.), а также штуцера 52.
Устройство работает следующим образом: после нажатия кнопки «Старт» электронный блок управления 31 рассчитывает согласно программе в зависимости от влажности и температуры окружающей среды на основании показаний датчика 42, а также уровня воды в баке 20, на сколько требуется приоткрыть клапан 38, чтобы начать полив водой радиатора-холодильника 18 для предварительного охлаждения корпуса 7 и камеры 9 холодного цилиндра 6. В начале термодинамического цикла в качестве основного источника энергии используют окружающую среду (прямая солнечная радиация, атмосферное излучение или непосредственное тепло окружающей среды - плюсовая температура в летний и осенне-весенний периоды времени года) посредством теплопередачи, в том числе и конвективных течений в биосфере около контура устройства. В результате происходит равномерное и очень быстрое прогревание рабочего тела с одновременным его расширением, согласно уравнению Ван-Дер-Ваальса состояния реального газа в трубках 11, по всему объему нагревателя 12, за счет развитой поверхности последнего. Затем передача впитанного тепла и нагревание рабочего тела в головке 3 горячего цилиндра 1 осуществляется за счет тепло- и массообмена, теплопроводности стенок соединительных трубок 11, а также теплопроводности размещенных внутри теплообменных трубок - матриц интенсификаторов. Как следствие, расширение рабочего тела в камере 4 горячего цилиндра вместе с работой стартера 32 приводит в движение вытеснительный поршень 5, который побуждает с помощью штока 25 и шатуна 26 вращаться выходной вал устройства 27. По мере поступательного движения поршня 5, вслед за ним, через кольцевой зазор нагретый газ постепенно перетекает в область за поршнем и тем самым плавно вытесняется по трубопроводу 13 через регенератор 14, где частично отдает часть своей внутренней энергии в камеру холодного цилиндра 9. Заполнение камеры над рабочим поршнем 10 вызывает его движение, что приводит к вращению выходного вала 27 двигателя Стирлинга, маховик которого, выполненный в виде зубчатого колеса, передает вращательный момент сил с помощью зубчато-ременной передачи 28 на вал электрогенератора 29. Таким образом, происходит выработка полезного электричества. Отработавший свое газ соприкасается с холодными стенками цилиндра 6 и на молекулярном уровне за счет быстрого теплоотвода при помощи блока 16 тепловых трубок 17 через крышку 34 головки цилиндра и радиатора-холодильника 18 постоянно орошаемого водой в мини-градирнях 19 из дырчатого водораспределителя 21, напоминающего душ, с помощью капельно-пленочного оросителя 22, за счет испарения воды с поверхности радиатора-холодильника 18, почти мгновенно охлаждается и возвратным движением рабочего поршня 10 выталкивается обратно через соединяющий трубопровод 13 газа и регенератор 14, где немного подогревается, в камеру 4 горячего цилиндра. Затем реверсивным движением вытеснительного поршня 5 отработавший газ сжимается и подается под давлением в теплообменные трубки 11 для повторения цикла.
Так как работа устройства циклическая, то стартер 32 отрабатывает только первый цикл при пуске и на этом его функция заканчивается.
Для выключения устройства требуется нажать кнопку «Стоп» на электронном блоке управления 31, после чего с помощью сигнальной линии 50 произойдет постепенное закрытие клапана 38 при помощи электропривода, и, таким образом, подача воды на охлаждение прекратится. В конце концов, нагреватель 12 и радиатор-холодильник 18 войдут в состояние термодинамического равновесия с окружающей средой и, как следствие, поршни 10 и 5 перестанут двигаться. На этом работа устройства заканчивается.
Предлагаемое устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды - технологичное (достаточно простое в исполнении), экологически чистое (не оказывает негативного влияния на атмосферу), экономичное (в плане расходумой на охлаждение воды), компактное, имеет достаточно высокий КПД и может применяться как в сельском хозяйстве, в качестве автономного (дополнительного) генератора, так и в быту, для зарядки электронно-цифровых приборов и аккумуляторов.
Применение устройства, наряду с традиционными источниками электроэнергии, позволит экономить электричество и, таким образом, повысить рентабельность практически любого производителя.
Кроме того изобретение позволяет подавать электричество на любые гаджеты, в частности МП3-плееры, планшетные компьютеры, ноутбуки, способно заряжать аккумуляторные дрели, шуруповерты, автомобильные и мотоциклетные аккумуляторы, поддерживать работоспособность электронно-цифровых приборов, а именно принтеров, сканеров, сетевых коммутаторов, ТВ-приставок, а также DVD-плееров, радиоприемников и аудиомагнитол.