СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА И/ИЛИ БИОГАЗА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
METHOD TO CONVERT THERMAL ENERGY OF SUN AND/OR BIOGAS INTO ELECTRIC ENERGY

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для прямого преобразования тепла солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза в электричество, используемое, например, в автономном малоэтажном жилищном строительстве.
Известен парожидкостной способ прямого преобразования тепла в электричество в барогальваническом электрогенераторе с тепловой регенерацией рабочего тела, принятый за аналог (патент РФ №2084056, МПК H01M 14/00, G01K 17/00, автор Белоусов И.Г.).
Парожидкостной способ прямого преобразования тепла в электричество реализуется в барогальваническом преобразователе, который содержит ячейку с твердым ионопроводящим электролитом, полости высокого и низкого давлений, газопроницаемые электроды, расположенные в указанных полостях и примыкающие к электролиту, конденсатор, насос, теплообменник-регенератор и испаритель-перегреватель, связанные последовательно (фиг.3, 1, 2 в описании патента РФ №2084056).
По этому способу выработка электрической энергии происходит в токогенерирующей барогальванической ячейке, работающей на перепаде давлений пара рабочего тела, а регенерация рабочего тела, т.е. возврат рабочего тела в полость высокого давления токогенерирующей ячейки осуществляется за счет процесса конденсации пара низкого давления рабочего тела (термическая регенерация).
Известен газовый способ прямого преобразования тепла в электричество в барогальваническом электрогенераторе с электрической регенерацией пара рабочего тела, принятый за прототип (патент РФ №2080528, МПК F25B 9/00, автор Белоусов И.Г.).
Способ прямого преобразования тепла в электричество реализуется в устройстве, содержащем две ячейки, каждая из которых имеет корпус, твердый электролит, который разделяет корпус на полости высокого и низкого давлений пара рабочего тела, электроды, установленные в контакте с твердым электролитом. Первая ячейка выполнена нагреваемой, а вторая - охлаждаемой.
Полости одинаковых давлений ячеек через регенеративный теплообменник связаны между собой, а электроды, установленные в полостях низкого давления, электрически связаны между собой. Способ преобразования характеризуется газовым (паровым) термодинамическим циклом, сформированным двумя экстремальными изотермами и двумя изобарами (фиг.3, 1 в описании к патенту РФ №2080528).
В прототипе в токогенерирующей барогальванической ячейке источником электродвижущей силы (ЭДС) служит перепад давлений пара рабочего тела на ее электродах. Разность термодинамических потенциалов Гиббса для пара рабочего тела, находящегося при различных давлениях в контакте с электродами ячейки и электролитом, является количественной мерой ЭДС ячейки.
Имеется возможность увеличить разность термодинамических потенциалов Гиббса в токогенерирующей барогальванической ячейке, работающей по способу-прототипу, и тем caмым увеличить ЭДС, а следовательно, и удельную мощность, снимаемую с единицы площади ячейки, и, как результат, повысить КПД генератора.
Через пар высокого и низкого давлений в полостях ячеек осуществляются процессы подвода и отвода тепла к ячейкам, а также между парами высокого и низкого давлений осуществляется процесс теплообмена в регенеративном теплообменнике. Эти процессы можно качественно улучшить.
Задачей изобретения является повышение эффективности способа прямого преобразования тепла солнечного излучения и/или биогаза в электричество, упрощение подвода и отвода тепла в цикле и интенсификация процесса теплообмена в регенеративном теплообменнике.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, это повышение КПД за счет увеличения интервала давлений рабочего тела в термодинамическом цикле между полостями высокого и низкого давлений токогенерирующей ячейки, а также улучшение подвода и отвода тепла в термодинамическом цикле работы электрогенератора и интенсификация процесса в регенеративном теплообменнике.
Для решения задачи с достижением указанного технического результата в известном способе, включающем подвод к токогенерерующей ячейке тепла (тепловой энергии) солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза, ионизацию и рекомбинацию рабочего тела на границах электролита и газопроницаемых электродов в полостях высокого и низкого давлений токогенерерующей ячейки с выработкой ею электроэнергии; изобарическое охлаждение пара низкого давления рабочего тела в регенеративном теплообменнике; сжатие пара низкого давления рабочего тела в компрессионной ячейке за счет части электрической энергии, выработанной токогенерерующей ячейкой, сопровождающееся отводом от нее тепла, используемого на нужды теплоснабжения малоэтажного здания, ионизацию и рекомбинацию рабочего тела на границах электролита и газопроницаемых электродов в полостях высокого и низкого давлений компрессорной ячейки; изобарический нагрев рабочего тела высокого давления в регенеративном теплообменнике и поступление его в полость высокого давления токогенерирующей ячейки, в полостях высокого давления обеих ячеек и регенеративного теплообменника используют рабочее тело в жидкой фазе, например жидкий йод, при этом рабочее тело в жидкой фазе в полости высокого давления токогенерирующей ячейки доводят до перегретого состояния, например до перегретого жидкого йода.
Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения станут понятными при рассмотрении прилагаемых чертежей.
Фиг.1. Функциональная схема барогальванического электрогенератора с электрической регенерацией рабочего тела, на котором реализуется предлагаемый способ прямого преобразования тепла в электричество.
Фиг.2. Диаграмма термодинамического цикла предлагаемого способа прямого преобразования тепла в электричество.
1
2
Фиг.3. Сравнение термодинамических циклов в T-S-диаграмме предлагаемого способа прямого преобразования тепла в электричество со способом-прототипом для одинакового перепада экстремальных температур в цикле T и Т.
Фиг.4. Расчетные значения напряжений (V) и удельной мощности (W) на клеммах электрохимического генератора (фиг.1), работающего по предлагаемому способу (сплошные линии) и способу-прототипу (пунктирные линии).
1
2
1
1
На фиг.1 изображена функциональная схема барогальванического электрогенератора с электрической регенерацией рабочего тела, на котором реализуется предлагаемый способ прямого преобразования тепла в электричество, где 1 - токогенерирующая ячейка; 2 - компрессорная ячейка; 3 - регенеративный теплообменник. Токогенерирующая ячейка 1 содержит: 4 - диэлектрический плоский корпус; 5 - электролит (твердый или загущенный в пористой матрице); 6 - полость высокого давления жидкого рабочего тела P; 7 - газопроницаемый, а также проницаемый для жидкости, электрод, установленный в полости 6; 8 - полость низкого давления пара рабочего тела P; 9 - газопроницаемый электрод, установленный в полости 8; 10 - теплопроводная стенка, ограничивающая полость высокого давления 6; 11 - стенка, ограничивающая полость низкого давления 8; 12 - электрический выход электрода высокого давления 7 токогенерирующей ячейки 1; Q - подвод тепла к токогенерирующей ячейке 1 (тепло сконцентрированного солнечного излучения, тепло сжигаемого биогаза или их совместное тепло); T - температура токогенерирующей ячейки 1.
1
2
Компрессорная ячейка 2 содержит: 13 - диэлектрический плоский корпус; 14 - электролит (твердый или загущенный в пористой матрице); 15 - полость высокого давления жидкого рабочего тела P; 16 - газопроницаемый, а также проницаемый для жидкости электрод, установленный в полости 15; 17 - полость низкого давления пара рабочего тела Р; 18 - газопроницаемый электрод, установленный в полости 17; 19 - теплопроводная стенка, ограничивающая полость высокого давления 15; 20 - теплопроводная стенка, ограничивающая полость низкого давления 17; 21 - электрическое соединение электрода низкого давления 9 токогенерирующей ячейки 1 и электрода низкого давления 18 компрессорной ячейки 2; 22 - электрический выход электрода высокого давления компрессорной ячейки 2.
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
1
1
На фиг.2 представлена диаграмма термодинамического цикла предлагаемого способа прямого преобразования тепла в электричество, зависимость температуры T от энтропии S, где К - критическая точка; X=1 - линия жидкого рабочего тела; X=0 - линия сухого пара рабочего тела; (23-24) - изотермический процесс выработки электрической энергии в токогенерирующей ячейке 1 (фиг.1); 23 - рабочее тело в виде перегретой жидкости при температуре T и давлением P в полости 6 ячейки 1; 24 - рабочее тело в виде перегретого сухого пара с температурой T и давлении P в полости 8 ячейки 1; (24-25) - процесс изобарического охлаждения при P пара низкого давления рабочего тела в регенеративном теплообменнике 3 (фиг.1); 25 - рабочее тело в виде перегретого пара с температурой T и давлением P в полости 17 ячейки 2; (25-26) - процесс изотермического сжатия рабочего тела в компрссорной ячейке 2 от перегретого пара с параметрами T и P до жидкого рабочего тела с параметрами T и P за счет использования части электрической энергии, выработанной ячейкой 1; (26-23) - процесс изобарического нагрева при P жидкого рабочего тела в регенеративном теплообменнике 3. Термодинамический цикл замкнут.
1
2
1
2
1
2
1
На фиг.3 представлено сравнение термодинамических циклов в T-S диаграмме предлагаемого способа прямого преобразования тепла в электричество со способом-прототипом для одинакового перепада экстремальных температур в цикле T и T, где (27-28-29-30-27) - термодинамический цикл предлагаемого способа прямого преобразования тепла в электричество: (27-28) - процесс выработки электрической энергии в токогенерирующей ячейке 1 (фиг.1) при температуре T; (28-29) - процесс охлаждения пара низкого давления в регенеративном теплообменнике 3; (29-30) - процесс сжатия пара низкого давления P до жидкости высокого давления P при температуре T за счет части электричества, выработанного ячейкой 1; (30-27) - процесс нагрева жидкого рабочего тела с давлением P в регенеративном теплообменнике 3. Цикл замкнут.
1
2
2
1
2
1
Термодинамический цикл способа-прототипа - (31-28-29-32), где (31-28) - процесс выработки электрической энергии в токогенерирующей ячейке 1 при температуре T (фиг.1); (28-29) - процесс охлаждения пара низкого давления P в регенеративном теплообменнике 3; (29-32) - процесс сжатия пара низкого давления P до пара высокого давления P при температуре T за счет части электричества, выработанного токогенерирующей ячейкой 1; (32-31) - процесс нагрева пара высокого давления P в регенеративном теплообменнике 3. Цикл замкнут.
Барогальванический электрогенератор с электрической регенерацией рабочего тела работает по предлагаемому способу следующим образом.
1
1
1
Тепловая энергия сконцентрированного солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза, или совместное тепло этих двух возобновляемых источников Q поднимает температуру жидкого йода в полости 6 ячейки 1 до температуры T=600 К, при которой жидкий йод находится в перегретом состоянии с давлением P≈10 атм.
1
2
2
-
-
Рабочий процесс токообразования в ячейке 1 состоит в ионизации жидкого йода высокого давления P в полости 6 по реакции J+2ẽ=2J на границе: электрод 7-электролит 5, перетоке ионов через слой электролита 5 под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов йода на границе электролит 5 - электрод 9 по реакции 2J=J+2ẽ в полости 8.
1
2
2
2
2
2
2
2
1
2
-2
-2
-2
-
-
Расширение жидкого йода через электродный блок, включающий электроды 7 и 9 и электролит 5 происходит изотермически с поглощением тепла Q (фиг.3, процесс (27-28)). Пар йода низкого давления P≈10 атм из полости 8 проходит через трубопровод низкого давления регенеративного теплообменника 3, охлаждается и поступает в полость 17 ячейки 2 (процесс 28-29). За счет части электрической энергии, выработанной ячейкой 1, происходит рабочий процесс сжатия пара низкого давления йода P≈10 атм до жидкости высокого давления P≈10 атм при температуре T=400К в компрессорной ячейке 2 (процесс 29-30). Рабочий процесс сжатия в ячейке 2 состоит в ионизации пара йода низкого давления P≈10 атм в полости 17 по реакции J+2ẽ=2J на границе: электрод 18 - электролит 14, перетоке ионов через слой электролита 14 под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов йода на границе: электролит 14 - электрод 16 по реакции 2J=J+2ẽ в полости высокого давления жидкого йода P=10 атм - 15. В процессе сжатия отводимое от ячейки 2 тепло Q, может быть использовано на теплоснабжение автономного малоэтажного жилого здания.
1
Жидкий йод высокого давления P=10 атм из полости 15 ячейки 2 проходит через трубопровод высокого давления регенеративного теплообменника 3, где нагревается и поступает в полость 6 ячейки 1. Цикл замкнут.
Электродвижущая сила токогенерирующей ячейки 1 определяется по формуле
где Δ6 - 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.
-2
P=10 атм; P=10 атм; Т=600 К.
Подставляя значения величин в формулу (1), получим
Противо-ЭДС компрессорной ячейки будет равно
ген.
Напряжение на клеммах генератора, работающего по предлагаемому способу, Е будет равно
Удельная мощность на клеммах генератора будет определяться формулой
электр.
В качестве электролита примем йодистый свинец PbJ с электропроводимостью æ=0,1 I/ом·см и толщину электролита примем δ=0,1 см, тогда формула (5) примет вид:
На фиг.4 представлены расчетные значения напряжений на клеммах 12-22 одного модуля (фиг.1) с электрической регенерацией и его удельной мощности, расчитанные по формулам (1-6) в зависимости от плотности тока на электродах 7, 9 ячейки 1 (сплошные линии).
По формулам (1-6) были расчитаны аналогичные значения для способа-прототипа (пунктирные линии).
-2
2
-2
2
2
2
Как видно из графика (фиг.4), при работе генератора в режиме максимальной удельной мощности, составляющей W=4,76·10 Вт/см (у способа-прототипа W=2,12·10 Вт/см), напряжение на клеммах 12-22 будет равно V=0,092 В (у способа-прототипа V=0,046 В) при плотности тока J=0,092 А/см(у способа-прототипа - J=0,046 А/см).
Таким образом, использование перегретого рабочего тела в жидкой фазе в полости 6 (фиг.1) ячейки 1 позволяет значительно повысить энергетическую эффективность (КПД) предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом, упростить подвод тепла к токогенерирующей ячейке, отвод тепла от компрессорной ячейки и интенсифицировать процесс теплообмена в регенеративном теплообменнике.