ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ЛУЧИСТО-ВОЛНОВОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к энергетическим установкам, преобразующим лучистую и волновую (в частности, солнечную) энергию в электрическую и (или) в тепловую. Она может быть использована в качестве стационарного, мобильного и (или) портативного источника электрического тока и (или) тепла, как в составе существующих энергетическо-тепловых комплексов, так и в автономном режиме работы, в промышленных и в бытовых целях, в том числе на наземных, водных, воздушных и космических аппаратах, включая транспортные средства.
Известна солнечная комбинированная электрическая станция (А.С. SU 1726922), состоящая из 2-х контуров - с теплопередающей жидкостью и пароводяной средой соответственно. Решение включает в свой состав расположенные последовательно системы приемников модульных параболоцилиндрических концентраторов солнечной энергии с системой слежения за Солнцем, пароперегреватель, парогенератор, циркуляционный насос и включенную за ним параллельно теплоприемнику котельную установку с вводом природного газа. Система модульных параболоцилиндрических концентраторов соединена по теплопередающей жидкости с пароперегревателем и с парогенератором, причем выход пара из пароперегревателя соединен с турбиной, имеющей на своем валу генератор электрической энергии. Выход из турбины соединен с конденсатором, имеющим охлаждение.
Недостатками этого решения являются его громоздкость, что ограничивает его массовое использование на ограниченной территории, необходимость использования существенных (огромных) объемов теплопередающей жидкости и газа для реализации функций эффективного теплообмена в системе, что в свою очередь не позволяет генерировать энергию в относительно малых объемах под конкретные нужды потребителей (отсутствует масштабируемость решения для нужд высокотехнологичных компактных производств, для нужд малого и среднего бизнеса с распределенной инфраструктурой, сельского и фермерского хозяйств с ограниченным энерго-тепло потреблением).
Известен гелиотермоэлектропреобразователь (заявка RU 93030959), содержащий концентратор солнечной энергии, объединенный с нагревателем рабочего тела в виде вакуумно-трубчатого коллектора, теплообменник, конденсатор пара, электрогенератор и управляющий комплекс. Электрогенератор выполнен в виде параллельных электростатических генераторов противоположной полярности, использующих сухой пар рабочего тела в качестве транспортера зарядов, закольцованных с концентратором солнечной энергии, теплообменником и конденсатором пара. Последний представляет собой герметичный котел с помещенным в него коллектором из труб с отверстиями вдоль образующих, а выходные клеммы электрогенератора подключены к внешней нагрузке через электромеханический накопитель и преобразователь напряжения и частоты.
Недостатками этого решения являются:
- термодинамические ограничения по эффективности переноса зарядов сухим паром к электрогенераторам;
- наличие большого количества мелких деталей в конструкции, подвергающихся непрерывному воздействию высокой температуры;
- высокие тепловые потери в теплообменниках и коллекторах.
Известен двигатель с увеличенной входной областью, использующий термодинамический цикл для получения электрической энергии из тепловой энергии (патент US 7607299). Устройство состоит из нагревательного элемента (нагревающей головки, нагревающего теплообменника или нагревающего коллектора) с увеличенной площадью области, принимающей тепловую энергию (в частности - от Солнца) и вводящую ее в двигатель, способный использовать для преобразования тепловой энергии в электрическую различные термодинамические циклы (в частности - термодинамический цикл Стирлинга), охладительного элемента (охлаждающей головки, охлаждающего теплообменника или охлаждающего коллектора), смещающегося первичного поршня, способного периодически двигаться относительно нагревательного и охладительного элементов, перемещая находящийся под давлением газ между рабочими полостями двигателя, из горячего теплообменника в холодный и обратно, с приспособлениями для уравнивания давления и системой преобразования тепловой энергии в электрическую, в виде кинетически перемещаемого вторичного поршня, совмещенного с альтернатором, для возбуждения магнитного поля в электрической обмотке альтернатора, который также периодически смещаясь, создает полезную работу (в частности, электрическую энергию).
За счет нагрева в двигателе рабочего тела (сжатого до высокого давления газа) путем внешнего подвода тепла через нагревающий теплообменник, возникают периодические колебания первичного поршня, размещенного при помощи мембранных кольцеобразных перегородок внутри одной из рабочих камер двигателя. Нагретый газ создает избыточное давление и, перемещая поршень, поступает в охлаждающий теплообменник, где, остывая, позволяет направить охлажденный газ в нагревающий теплообменник способом рекуперации.
Полезная работа (в частности, получаемая таким образом электрическая энергия), произведенная системой преобразования (альтернатором), может быть передана через систему передачи энергии к потребителям (к полезной нагрузке).
Недостатками этого решения являются:
- ограничения по полезной работе, зависящие от размера теплообменников. При потребности получать большую полезную работу (большой объем электрической энергии) необходимо значительно увеличивать размеры теплообменников и объемы нагреваемого в них газа, для совершения большей полезной работы;
- предел по фактическому КПД, достигая который, фактический КПД решения начинает падать из-за ее значительных массогабаритных характеристик, т.е. двигатель на базе термодинамического цикла Стирлинга не может эффективно производить полезную работу сверх этого предела, далекого от теоретически достижимого предела КПД;
- необходимость постоянного контроля и уравнивания рабочего давления между рабочими полостями двигателя, чтобы исключить вероятность выхода двигателя из строя из-за возможного повреждения дорогостоящих упругих элементов конструкции (манжет, кольцеобразных мембранных перегородок, сальников), которые поддерживают работу поршней в проектных режимах;
- необходимость использования в двигателе ресурсоемких технических решений для обеспечения и поддержания высокого рабочего давления на заданном уровне в системе в целом, для поддержания двигателя в рабочем состоянии в длительном интервале времени и при постоянном воздействии тепла, подводимой к двигателю внешним образом.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является система преобразования солнечной радиации (излучения) в электрическую энергию (патент US 4616140). Система включает параболическое зеркало (концентратор), отслеживающее положение Солнца в течение всего дня для фокусировки солнечной радиации на фокальную плоскость, тепловой двигатель, работающий на однородном горячем газе, два одинаковых электрических генератора, симметрично расположенные относительно двигателя и механически с ним сопряженные. Двигатель снабжен нагреваемой головкой (являющейся ресивером), помещенной в фокальную плоскость. Один из генераторов имеет стартер для этого двигателя.
Недостатками этого решения являются массогабаритные характеристики системы, существенно увеличивающие общий вес несущей конструкции и нагрузку на ее основание, а также необходимость размещения в фокальной плоскости дорогостоящих и прецизионных теплообменников, которые должны обеспечивать отвод тепла от системы преобразования энергии (двигателя с нагреваемой головкой) соответствующим образом и в достаточном количестве, чтобы обеспечить его приемлемые тактико-технические характеристики и надлежащий проектный КПД, от теоретически возможного предела КПД.
Задачей полезной модели является создание энергетической установки на лучисто-волновой энергии с существенно более высоким КПД, модульной, масштабируемой по мощности, с низкой себестоимостью в изготовлении и низкой себестоимостью производимой ею полезной работы (вырабатываемой электрической и (или) тепловой энергии), имеющей высокую надежность, высокие тактико-технические характеристики, с возможностью реализации вариантов стационарного, мобильного и (или) портативного размещения, длительным сроком службы и наработки на отказ, простую в изготовлении и в обслуживании.
Задача решается с помощью энергетической установки, содержащей концентратор излучения, ресивер сконцентрированного излучения, тепловой двигатель, нагревателем которого является упомянутый ресивер, систему слежения за источником излучения и, как минимум, один генератор электрического тока, отличающейся тем, что упомянутый двигатель является роторно-поршневым двигателем с внешним подводом тепла.
Упомянутый двигатель содержит как минимум два рабочих узла, каждый из которых имеет корпус, с соосно установленными внутри него с возможностью вращения двумя подвижными роторами с двумя поршнями на каждом с образованием между поршнями четырех рабочих камер, механизм преобразования движения роторов во вращательное движение, общий выходной вал.
Упомянутый концентратор может представлять собой совокупность вогнутых элементов кольцеобразной формы.
Упомянутый концентратор может представлять собой совокупность вогнутых элементов прямоугольной формы.
Упомянутый двигатель дополнительно может содержать компрессор и клапан (систему клапанов).
Упомянутый двигатель дополнительно может содержать емкость для рабочего тела.
Установка может иметь второй контур теплообмена.
Предлагаемая энергетическая установка на лучисто-волновой энергии имеет более высокий КПД, является модульной, масштабируемой по мощности, с низкой себестоимостью в изготовлении и низкой себестоимостью производимой ею полезной работы (вырабатываемой электрической и (или) тепловой энергией), имеет высокую надежность, высокие тактико-технические характеристики, позволяет реализовать варианты в стационарном, мобильном и (или) портативном размещении, имеет длительный срок службы и наработки на отказ, является простым в изготовлении и в обслуживании решением.
Техническое решение обеспечивает существенное повышение КПД преобразования лучисто-волновой энергии в электрическую и (или) тепловую за счет снижения потерь на отдельных участках преобразования и за счет использования совокупности технических элементов (компонентов), ранее таким образом не применявшихся (не соединявшихся), в совокупности позволяющих существенно снизить потери и себестоимость полезной работы, выполняемой установкой, а именно: существенно снизить потери и себестоимость вырабатываемой установкой электрической и (или) тепловой энергии.
Основные преимущества используемого в предлагаемом техническом решении роторно-поршневого (роторно-лопастного) двигателя следующие: высокий термический КПД (до 70%), компактность, минимальный уровень вибрации за счет симметричной конструкции, низкие механические потери на трение, высокий эксплуатационный моторесурс, легкий запуск при низких температурах, герметичность, экологичность, легкость обслуживания.
Полезная модель поясняется фигурами.
На фиг.1 и 2 показан вариант исполнения концентратора лучисто-волновой энергии с вогнутыми элементами кольцеобразной формы.
На фиг.3 и 4 показан вариант исполнения концентратора лучисто-волновой энергии с вогнутыми элементами прямоугольной формы.
На фиг.5 показан ход лучей в концентраторе.
На фиг.6 показаны некоторые варианты исполнения ресивера излучения (нагревателя).
На фиг.7 показаны некоторые варианты исполнения ресивера излучения (нагревателя) в совокупности с трубопроводами.
На фиг.8 изображен вариант исполнения роторно-поршневого двигателя с внешним подводом тепла с двумя трапециевидными роторно-поршневыми группами.
На фиг.9 изображен вариант исполнения роторно-поршневого двигателя с внешним подводом тепла с двумя цилиндрическими (тороидальными) роторно-поршневыми группами.
На фиг.10 показана роторно-поршневая группа без механизма преобразования движения и ведомого вала.
На фиг.11 изображен механизм преобразования движения с элементами, разделенными в аксиальном направлении (для наглядности).
На фиг.12 показана базовая (опорная) замкнутая кривая (эквидистанта), представляющая профиль внешней кромки кулачка в механизме преобразования движения.
На фиг.13 приведено общее схематическое изображение установки.
На фиг.14 показана функциональная схема установки.
На фиг.15 приведен график изменения давления в каждом из рабочих узлов двигателя с внешним подводом тепла, при изменении угла поворота роторов.
На фиг.16 приведен график изменения объема в каждом из рабочих узлов роторно-поршневого двигателя с внешним подводом тепла, при изменении угла поворота роторов.
На фиг.17 показана диаграмма зависимости давления и объема (PV-диаграмма термодинамического цикла) в каждом из рабочих узлов двигателя.
На фиг.18 показана диаграмма изменения моментов валов роторов в каждом из рабочих узлов двигателя и суммирующего момента на общем ведомом валу, при изменении угла поворота роторов.
На фиг.19 в таблице приведена последовательность фаз термодинамического цикла с внешним подводом тепла в двигателе, состоящем из двух рабочих узлов, установленных друг относительно друга с угловым сдвигом, в каждом из рабочих узлов, при изменении угла поворота роторов.
На последовательности фигур 20-28 показан пример работы роторно-поршневого двигателя, состоящего из двух рабочих узлов, установленных друг относительно друга с угловым сдвигом, в соответствии с реализованным в нем термодинамическим циклом.
Энергетическая установка на лучисто-волновой энергии содержит: концентратор излучения (3), улавливающий излучение (лучисто-волновую энергию) (2а) с характеристикой Е от источника (источников) излучения (1). Концентратор (3), в частности, состоит из вогнутых элементов кольцеобразной формы (4) (фиг.1, 2) или вогнутых элементов прямоугольной формы (5) (фиг.3, 4), спрофилированных и размещенных на опорно-несущей конструкции (на фигурах не показана) таким образом, что:
- для вогнутых кольцеобразных элементов (4) обеспечивается фокусирование излучения (2а), попадающего на входную апертуру концентратора (3) от источника (источников) излучения (1) на ограниченную (небольшую) по диаметру точку, пятно или кольцо (8) за выходной апертурой концентратора (3) в фокальной плоскости (9), до фокальной плоскости (9) или после фокальной плоскости (9), во всех случаях располагаемой за концентратором (3), с высокой степенью плотности и концентрации совокупного излучения (2b) с характеристикой E1;
- для вогнутых прямоугольных элементов (5) обеспечивается фокусирование излучения (2а), попадающего на входную апертуру концентратора (3) от источника (источников) излучения (1) на ограниченную (небольшую) по ширине полосу или линию (11) за выходной апертурой концентратора (3) в фокальной плоскости (9), до фокальной плоскости (9) или после фокальной плоскости (9), во всех случаях располагаемой за концентратором (3), с высокой степенью плотности и концентрации совокупного излучения (2 с) с характеристикой E2.
Вогнутые элементы (4) или (5) концентратора (3) не перекрывают друг друга по фронту приходящих на концентратор (3) лучей, волн, излучения (2а), когда источник (источники) (1) находится на оси концентратора (3) (фиг.5). Соосное размещение элементов (4) или (5), а также наведение на источник (источники) излучения (1) и отслеживание его (их) положения (перемещения) обеспечивает максимальную эффективность концентратора (3).
Подходящие решения для концентратора (3) известны из уровня техники: например, в патенте US 6620995 описаны особенности конструкции с вогнутыми отражающими элементами кольцеобразной формы (4), а в патентах US 6971756 и US 7607429 - особенности конструкций с вогнутыми отражающими элементами прямоугольной формы (5).
В зависимости от выбранного инженерно-технического решения, концентратор (3) может представлять собой и другой вид конструкции, реализующий для излучения (2a) попадающего на его входную апертуру от источника (источников) излучения (1) иной способ концентрации и отражения и (или) переотражения лучей, волн, излучения (2b, 2с). В частности, концентратор (3) может быть выполнен цельным, секционным или модульным, профилированным или сплошным, в виде параболической отражающей конструкции с прямым фокусом (осесимметричной), параболической отражающей конструкции со смещенным фокусом (офсетной), цилиндрической параболоидальной конструкции, полуцилиндрической параболоидальной конструкции, линзообразной конструкции, конструкции, использующей линзы Френеля и другим образом.
Таким образом, в концентраторе (3) путем отражения (переотражения) излучения (2а) происходит концентрация (сложение, наложение) лучей, волн, в виде излучения (2b) или (2с) за выходной апертурой концентратора на ограниченную площадь (8 или 11) фокальной плоскости (9), что приводит к значительному увеличению плотности потока энергии (E1 или E2) на этой ограниченной площади.
Потери энергии в концентраторе (3) при отражении (переотражении) любых лучей, волн, излучения от источника (источников) (1) являются минимальными, так как угол падения лучей, волн, излучения на вогнутые элементы (4) или (5) концентратора (3) равен углу отражения и отдельные элементы (4) и (5) не перекрывают друг друга.
Такой подход позволяет концентрировать большее количество энергии (Е), приходящее от источника (источников) излучения (1), при меньшей входной апертуре (диаметре, внешних габаритных размерах) концентратора (3), собранного из нескольких соединенных соосно элементов (как вогнутых кольцевых (4), так и вогнутых прямоугольных (5)).
Отражение (переотражение) имеет место для всех видов лучей, волн, излучения. Минимальные потери для каждого из видов (диапазонов, спектров) излучения обеспечиваются физическими свойствами отражающих элементов (типом материала, его кристаллической решеткой/структурой, покрытием, напылением, дополнительной обработкой - механической, химической, термической, электрической, магнитной, квантовой, давлением и т.п.).
При этом, например, состав материала элементов (4, 5) может быть более эффективен по коэффициенту потерь на отражение (переотражение) для видимого света (отражать его лучше) и менее эффективен для ультрафиолетовых лучей (отражать их хуже), при одновременном воздействии на концентратор (3) обеих видов излучения.
Вогнутые отражающие (переотражающие) элементы (4) или (5) концентратора (3) могут быть выполнены из металла, сплава, полимерного материала, пластика, ткани и иных подходящих для этого материалов, с отражающими свойствами, оптимальными для отдельного диапазона лучей, волн, излучения или оптимальными для конкретного спектра лучей, волн, излучения по всему их (его) диапазону. Это может быть достигнуто за счет обработки поверхности элементов (4) или (5) путем ее профилирования, шлифовки, полировки или напыления, наклейки, присоединения на основную поверхность отражающего слоя из иного состава (пленка, лак, краска, молекулярная структура, наноструктура и т.п.).
В дополнение к специальной вогнутой (профилированной) форме элементов (4) или (5), при использовании специальных материалов для элементов (4) или (5) или их поверхностей, обеспечивающих одинаково эффективное отражение (переотражение) всех одновременно приходящих лучей, волн, излучения в разных диапазонах (спектрах), суммарная эффективность концентратора (3) будет еще выше, т.к. в фокальной плоскости (9) за выходной апертурой концентратора (3) сложение (взаимоналожение) всех лучей, волн, излучения будет максимально возможным и суммарная энергия (E1 или E2) по совокупности лучей, волн, излучения, сложенных (взаимоналоженных) на этом ограниченном пространстве, доступная к дальнейшему преобразованию, будет максимально возможной. В частности, возможно собирать в одну точку одновременно 3 вида излучения при использовании одной отражающей поверхности - излучение «видимый свет»+инфракрасное излучение (ИК)+ультрафиолетовое излучение (УФ).
Космические лучи, в частности, реликтовое излучение, гамма лучи, рентгеновские лучи и иные виды излучения, как известные, так и неизвестные, также могут быть сконцентрированы аналогичным образом.
Концентратор (3) размещен на опорно-поворотной несущей конструкции (12), состоящей из опорно-поворотной части и несущей части, представляющих совместно единое целое, обеспечивающей жесткость крепления отражающих элементов (4) или (5), их соосность, их надлежащее сопротивление и устойчивость внешним силовым нагрузкам, в частности неблагоприятному механическому воздействию (включая ветровые нагрузки); неблагоприятным погодным условиям; воздействию внешних магнитных, гравитационных, электрических, электромагнитных и иных полей; неблагоприятным температурным условиям; давлению и/или разрежению окружающей среды и т.п.
Опорно-поворотная несущая конструкция (12) позволяет наводить концентратор (3) на источник (источники) излучения (1) и отслеживать его (их) перемещение по любой траектории, а также обеспечивать вращение концентратора (3) вокруг своей оси (по необходимости).
Для отслеживания положения или траектории источника (источников) излучения (1) по одной или двум осям, непрерывно или дискретно, относительно концентратора (3), концентратор (3) снабжен системой слежения (14). В составе системы (14) имеется устройство слежения (13). В качестве устройства (13) могут быть использованы различные датчики, фотоэлементы, сенсоры, видеокамеры и т.п. Устройство (13) закреплено на концентраторе (3) или его опорно-несущей конструкции (12).
Различные устройства слежения (13), системы слежения (14) и устройства обеспечения обратной связи для управления поворотом, наведением и слежением концентратора (3) за источником (источниками) излучения (1) известны из уровня техники и могут быть реализованы различными способами на базе различного технологического оборудования, конкретный тип, характер и схема подключения которых не принципиальны для сути настоящего технического решения.
Работа системы слежения (14) обеспечивает обратную связь концентратора (3) с другими узлами и подсистемами энергетической установки и создает управляющие сигналы, необходимые для поворота (разворота) опорно-несущей конструкции (12) на источник (источники) (1) максимально точным образом.
Функции поворота/разворота опорно-несущей конструкции (12) концентратора (3) выполняются приводами (двигателями, моторами, электрическими, гидравлическими и иными приводами, ременными, червячными или зубчатыми передачами, направляющими с роликами или подшипниками, механизмами с системой противовесов, рейками, штангами и т.п.), конкретный тип, характер и схема подключения которых не принципиальны для сути настоящего технического решения.
Установка содержит также ресивер (15) сконцентрированного излучения (2b, 2c), установленный в фокальной плоскости (9), до фокальной плоскости (9) или после фокальной плоскости (9) за концентратором (3). Функцией ресивера (15) является прием собранного излучения с характеристиками E1 или E2 и преобразование его в тепловую энергию, за счет нагрева площади поверхности (8 или 11) под воздействием концентрированного совокупного излучения (2b) или (2с).
Ресивер (15) представляет собой принимающий излучение элемент, который выполнен с полостями, каналами и (или) с выступами для оптимальной циркуляции рабочего тела (фиг.6). Ресивер (15) может быть выполнен в виде дискообразной (цилиндрической, овальной, конусовидной) формы или в виде прямоугольной (трапециевидной, ромбической, кубической) формы. В качестве рабочего тела могут быть использованы газ или жидкость, сжатые или сжиженные до необходимого рабочего давления.
На ресивере (15) имеется фрагмент поверхности (16), располагаемый в ограниченной площади (8) или (11). На фрагмент (16) непосредственно принимается собираемое концентратором (3) излучение (2b) или (2c) с характеристиками E1 или E2. Фрагмент (16) может иметь ровную, вогнутую, выпуклую, ломаную, профильную, в виде чашки, полусферы, цилиндра или иную форму, с выступом или без него.
В зависимости от выбранного инженерно-технического решения, ресивер излучения (15) может представлять собой отдельную конструкцию (деталь), устанавливаемую непосредственно на корпус установки или присоединяемую к корпусу установки, представляющую собой после сборки с корпусом установки единое целое, а также может быть выполнен в виде отдельной конструкции (детали), не являющейся единым целым с корпусом установки и соединенную с ним посредством размещаемых, подключаемых и отводимых от своего корпуса трубопроводов (10) (фиг.7).
Некоторые варианты исполнения ресивера излучения (15), присоединяемого непосредственно к корпусу установки, показаны на фиг.6.
Варианты а и b относятся к ресиверу излучения (15), выполненному в виде детали дискообразной (цилиндрической) формы, принимающей излучение (2b) или (2c) на свою фронтальную (лицевую) сторону, располагаемой своей тыльной (задней) стороной непосредственно на корпусе установки.
Варианты c и d относятся к ресиверу излучения (15), выполненному в виде детали дискообразной (цилиндрической) формы, принимающей излучение (2b) или (2c) на свою фронтальную боковую сторону, располагаемой своей тыльной боковой стороной непосредственно на корпусе установки.
Для каждого из вариантов a, b, c и d возможны различные исполнения элементов (16) (на фиг.6 показаны по 3 варианта исполнения элемента (16) для каждого из вариантов исполнения ресивера излучения (15), но возможны и другие варианты).
Некоторые варианты исполнения ресивера излучения (15), присоединяемого к корпусу установки с использованием трубопроводов (10), показаны на фиг.7.
Варианты а и b относятся к ресиверу излучения (15), выполненному в виде детали дискообразной (цилиндрической) формы, принимающей излучение (2b) или (2c) на свою фронтальную (лицевую) сторону, располагаемой своей тыльной (задней) стороной на необходимом расстоянии от корпуса установки и соединяемой с корпусом установки посредством трубопроводов (10).
Варианты c и d относятся к ресиверу излучения (15), выполненному в виде детали дискообразной (цилиндрической) формы, принимающей излучение (2b) или (2c) на свою фронтальную боковую сторону, располагаемой своей тыльной боковой стороной на необходимом расстоянии от корпуса установки и соединяемой с корпусом установки посредством трубопроводов (10).
Для каждого из вариантов а, b, c и d возможны различные исполнения трубопроводов (10) (на фиг.7 показаны по 2 варианта подвода и размещения трубопроводов (10) на ресивере излучения (15) - горизонтальный и вертикальный, но возможны и другие варианты).
Предпочтительно выполнение ресивера излучения (15) из материалов с высокой удельной теплоемкостью, высокой удельной теплопроводностью и высокой температурой плавления, превышающей максимально возможную температуру, достигаемую применяемым типом концентратора (3) в каждом конкретном варианте технического решения. Например, ресивер излучения (15) может быть изготовлен из металла (из меди, из серебра), сплава металлов, из полимерного материала или из материала с монокристаллической или поликристаллической структурой. Такой выбор материала ресивера излучения (15) обеспечивает максимально эффективный теплообмен между ресивером излучения (15) и рабочим телом и минимизирует потери энергии и (или) тепла.
В отдельных случаях может оказаться предпочтительным выполнение ресивера излучения (15) из материала, прозрачного для собираемого концентратором (3) излучения с характеристиками E1 или E2, имеющего нулевые или крайне малые потери при прохождении концентрированного потока излучения (2b, 2c) сквозь него (например, из подходящего стекла, искусственного алмаза и т.п.). Такой выбор материала обеспечивает максимально эффективную передачу концентрированного излучения (2b, 2c) сквозь ресивер излучения (15) непосредственно на рабочее тело и минимизирует потери энергии и (или) тепла.
Предлагаемая установка содержит тепловой двигатель (18). Ресивер излучения (15) является его нагревателем (горячим теплообменником). Новым в предлагаемом решении является то, что в качестве теплового двигателя (18) предлагается использовать роторно-поршневой (иначе называемый роторно-лопастным) двигатель с внешним подводом тепла (см. фиг.8 и 9).
Роторно-поршневой (роторно-лопастной) двигатель (иначе говоря - турбина) (18) с внешним подводом тепла (фиг.8 и 9) содержит: нагреватель (горячий теплообменник) в виде ресивера излучения (15), как минимум два рабочих узла (19) и охладитель (холодный теплообменник) (20). В состав двигателя (турбины) (18) могут входить компрессор (21) и емкость (бак) для рабочего тела (ресивер рабочего тела) (35), соединенные клапанами (системой клапанов) (37) и (или) трубопроводами (10) с охладителем (холодным теплообменником) (20).
Каждый рабочий узел (19) содержит корпус (22), в котором соосно установлены с возможностью вращения два подвижных ротора (23) и (24) с двумя поршнями (иначе называемыми лопастями) (25а) и (25b) на каждом с образованием между поршнями (лопастями) четырех рабочих камер. Поршни (лопасти) (25а) принадлежат ротору (23), поршни (лопасти) (25b) - ротору (24)). Они совместно представляют роторно-поршневую (иначе называемую роторно-лопастную) группу (см. также фиг.10).
В каждом рабочем узле (19) имеется механизм преобразования движения (27) (иначе называемый преобразовательным блоком) и ведомый вал (26) (см. также фиг.9). Рабочие узлы (19) могут быть установлены с угловым сдвигом друг относительно друга.
Форма поршней (лопастей) (25а) и (25b) может быть тороидальной, цилиндрической, трапециевидной, прямоугольной и любой иной подходящей по форме и размеру к выбранному инженерно-техническому решению (непринципиальна для сути настоящего технического решения).
Корпус (22) каждого рабочего узла (19) заполнен рабочим телом (газом или жидкостью) под начальным рабочим давлением. Рабочие узлы (19) соединены с ресивером излучения (нагревателем) (15) и охладителем (холодным теплообменником) (20) непосредственно или связаны с ними системой трубопроводов (10).
Между соответствующими плоскостями (торцевыми поверхностями) четырех поршней (лопастей) (25а) и (25b) образуются четыре рабочие камеры. В каждом рабочем узле (19) при нагреве рабочего тела за счет внешнего подвода тепла происходит преобразование энергии рабочего тела в движение роторов (23) и (24).
Выходные валы (26а) и (26b) роторов (23) и (24) выполнены полыми (ротор (23) имеет вал (26а), а ротор (24) - вал (26b)), установлены соосно и связаны с механизмом преобразования движения (27). Ведомый вал (26) рабочего узла (19), проходит соосно выходным валам (26а) и (26b) роторов (23) и (24) сквозь полость в них и также связан с механизмом преобразования движения (27).
Этим требованиям удовлетворяет двигатель, описанный в заявке на изобретение RU 2008120953, хотя возможны и другие решения.
Изменение объемов (V) и давления (Р) рабочего тела в рабочих камерах рабочих узлов (19) от его нагрева, путем внешнего подвода тепла, позволяет совершать роторам (23) и (24) с поршнями (лопастями) (25а) и (25b) колебательно-вращательное движение относительно друг друга. Механизм преобразования движения (27) предназначен для преобразования колебательно-вращательного движения роторов (23) и (24) с поршнями (лопастями) (25а) и (25b) относительно друг друга в равномерное вращение ведомого вала (26) и суммирования моментов движения роторов (23) и (24), передаваемых на ведомый вал (26) рабочего узла (19).
К механизму преобразования движения (27) предъявляются следующие требования:
- минимальные механические потери на трение;
- число рабочих тактов при одном обороте ведомого вала;
- поддержание постоянства угловой скорости ведомого вала;
- плавность хода и безударность;
- уравновешенность;
- простота конструкции;
- простота изготовления.
Этим требованиям удовлетворяет преобразовательный блок, описанный в заявке на изобретение RU 2008120953. Подходящий механизм для преобразования движения (27) описан также в патенте RU 2374526.
Механизм для преобразования движения (27) (фиг.11) содержит корпус (27.1), первый ведущий вал (27.2), кулачок (27.3), установленный на корпусе соосно первому ведущему валу, диск (27.4) с направляющими (27.5-27.8), расположенными симметрично вдоль взаимно перпендикулярных осей симметрии на плоскости диска (27.4) и выполненными, в частности, в форме одинаковых прямых сквозных прорезей в диске, ромбический шарнирный четырехзвенник (27.9) с пальцами (27.10-27.13), расположенными в его вершинах и взаимодействующими с кулачком (27.3) и направляющими (27.5-27.8).
Пальцы (27.10-27.13) расположены аксиально, проходят через направляющие (прорези) (27.5-27.8) и опираются на профиль (внешнюю кромку) кулачка (27.3).
Соосно, с первым ведущим валом (27.2) установлен второй ведущий вал (27.14), имеющий, в частности, форму полого вала. Первый ведущий вал (27.2) жестко соединен с серединой рычага (27.16), а второй ведущий вал (27.14) - с серединой рычага (27.15). Концы рычагов (27.15, 27.16) шарнирно связаны с серединами противоположных сторон шарнирного четырехзвенника (27.9). Диск (27.4) установлен с возможностью вращения и жестко (в частности - с помощью жесткой механической передачи) связан с ведомым валом (27.17).
Первый ведущий вал (27.2) жестко соединен с валом (26а) ротора (23), второй ведущий вал (27.14) жестко соединен с валом (26b) ротора (24). Ведомый вал (27.17) жестко соединен с ведомым валом (26) рабочего узла (19) (или объединен с ним).
Направляющие (27.5-27.8) расположены симметрично вдоль взаимно перпендикулярных осей симметрии на плоскости диска, профиль кулачка (27.3) описывается зависимостью полярного радиуса от полярного угла и длины стороны шарнирного четырехзвенника и представляет собой эквидистанту, отстоящую на величину радиуса пальца (27.10-27.13) внутрь от базовой (опорной) замкнутой кривой (фиг.12), описываемой следующей формулой:
где ρ(α) - полярный радиус (начало полярных координат
расположено в центре кулачка);
α=0-2π - полярный угол;
L - длина стороны ромбического четырехзвенника;
min
ψ - минимальный угол между сторонами ромбического четырехзвенника;
π - число Пи.
При любом другом профиле кулачка (27.3), не относящемся к семейству эквидистант с приведенной формулой, а также другом размещении пальцев (27.10-27.13) на ромбе и расположении направляющих (27.5-27.8) на диске преобразование движения будет сопровождаться рывками и ударами (будет нарушена плавность преобразования).
Когда рабочих узлов (19) несколько (два и более), их ведомые валы (26) объединены в общий выходной вал (40).
Охладитель (холодный теплообменник) (20) предназначен для охлаждения рабочего тела до необходимой минимальной температуры за необходимое время путем накопления, отстаивания, поглощения или излучения в виде тепловой энергии той энергии, которую он получает от рабочего тела, поступающего в нагретом виде из объемов рабочих камер рабочих узлов (19) двигателя (турбины) (18), после чего рабочее тело необходимо в охлажденном состоянии вернуть обратно в ресивер излучения (нагреватель) (15) через объемы рабочих камер рабочих узлов (19) двигателя (турбины) (18).
Эффективный КПД такого преобразования определяется разностью температур ресивера излучения (нагревателя) (15) и охладителя (холодного теплообменника) (20) и общим количеством различных потерь. Чем больше разность температур между (15) и (20) и чем меньше различные общие потери, тем выше КПД энергетической установки в целом и тем ближе он к теоретическому пределу КПД термодинамического цикла с внешним подводом тепла, реализованного в двигателе (турбине) (18).
Охладитель (холодный теплообменник) (20) может быть замкнутым, пассивным по сути, контуром теплообмена энергетической установки, отдающим тепловую энергию в окружающую среду (например, в воздух, землю, песок, соль, масло, тосол, воду, вакуум, космос и т.п.). При таком инженерно-техническом решении вся тепловая энергия рабочего тела теряется (рассеивается) в окружающем пространстве и никакой дополнительной полезной работы при охлаждении рабочего тела при его циркуляции через охладитель (холодный теплообменник) (20) не происходит.
Установка может иметь второй контур теплообмена. В этом случае охладитель (холодный теплообменник) (20) является замкнутым, активным по сути, контуром теплообмена энергетической установки, отдающим тепловую энергию в окружающую среду через этот второй контур теплообмена, являясь его первичной частью. При таком инженерно-техническом решении тепловая энергия рабочего тела используется в этом вторичном контуре теплообмена и, таким образом, выполняется дополнительная полезная работа при охлаждении рабочего тела при его циркуляции через охладитель (холодный теплообменник) (20) в дополнение к получаемой от установки полезной электрической энергии.
При использовании установки со вторым контуром теплообмена, полезной работой является выработка тепловой энергии, которую можно использовать для конечных потребителей или для ее накопления и сохранения, чтобы использовать ее для собственных нужд энергетической установки, в частности, для обеспечения своей бесперебойной работы на необходимый период времени (например, в ночное время), в отсутствие источника (источников) (1) излучения или невозможности ориентирования на него (них). Дополнительная полезная работа, вырабатываемая энергетической установкой в виде тепловой энергии, может быть использована для обогрева различных помещений, оборудования и коммуникаций, для производства продуктов питания, для нагрева теплоносителей во внешних энергетическо-тепловых системах, в различных системах синтеза веществ и материалов, использующих тепловую энергию как катализатор (необходимый составной компонент в реакциях), для получения различных химических и органических соединений. Сферы применения энергетической установки и возможные к решению с ее помощью задачи - неограниченны.
Получаемые химические и органические соединения, в свою очередь, могут быть использованы для создания необходимого входящего излучения (2а) на ресивер излучения (нагреватель) (15), путем их соединения, смешивания, сжигания или иным образом, что также обеспечит бесперебойную работу энергетической установки на необходимый период времени (например, в ночное время), в отсутствие источника (источников) (1) излучения или невозможности ориентирования на него (них), но с меньшей энергетической эффективностью (с меньшим КПД).
Компрессор (21) предназначен для автоматического или ручного регулирования и поддержания требуемого давления рабочего тела в энергетической установке в целом, в частности, в охладителе (холодном теплообменнике) (20) путем нагнетания (по необходимости) охлажденного рабочего тела в соответствующие объемы рабочих камер рабочих узлов (19) для обеспечения возврата охлажденного рабочего тела в ресивер излучения (нагреватель) (15).
Вход компрессора (21) может быть соединен с охладителем (холодным теплообменником) (20) через клапан (систему клапанов) (37).
Выход компрессора (21) может быть соединен с емкостью (баком) для рабочего тела (ресивером рабочего тела) (35) для хранения, повторного использования или сброса излишков рабочего тела из рабочего объема энергетической установки.
Емкость (бак) для рабочего тела (ресивер рабочего тела) (35) может быть соединена с охладителем (холодным теплообменником) (20) через клапан (систему клапанов) (37), для обеспечения надлежащей обратной связи.
Компрессор (21), емкость (бак) для рабочего тела (ресивер рабочего тела) (35) и клапан (система клапанов) (37) соединены друг с другом непосредственно и (или) связаны между собой системой трубопроводов (10) (показаны на фиг.14).
В зависимости от выбранного инженерно-технического решения (требуемых рабочих объемов, требуемых уровней давления), компрессор (21), емкость (бак) для рабочего тела (ресивер рабочего тела) (35), клапан (система клапанов) (37) могут отсутствовать, при условии обеспечения герметичности всех элементов установки, внутри которых циркулирует рабочее тело на срок ее установленного моторесурса после создания необходимого рабочего давления в установке, при ее первичном производстве, или, при вводе ее в эксплуатацию.
При выборе варианта инженерно-технического решения, предусматривающего наличие в составе энергетической установки компрессора (21), емкости (бака) для рабочего тела (ресивера рабочего тела) (35) и клапана (системы клапанов) (37), они могут быть реализованы различными способами на базе различного известного технологического оборудования. Конкретный тип, технические характеристики, характер и схема подключения компрессора (21), емкости (бака) для рабочего тела (ресивера рабочего тела) (35) и клапана (системы клапанов) (37) не принципиальны для сути настоящего технического решения.
К ведомому валу (26) каждого рабочего узла (19) или к общему выходному валу (40) двигателя (турбины) (18) может быть подключено любое оборудование или полезная нагрузка (32), требующая для своей работы равномерное вращение или использующая его для совершения полезной работы.
В зависимости от потребности полезной нагрузки (32) в электрической энергии, установка содержит как минимум один генератор электрического тока (45), установленный на ведомом валу (26) отдельного рабочего узла (19) или на общем выходном валу (40) двигателя (турбины) (18).
Генератор электрического тока (45) может быть выполнен в виде отдельного изделия, соединенного с двигателем (турбиной) (18) через вал или как конструктивная часть двигателя (турбины) (18) с общим корпусом, объединенная с двигателем (турбиной) (18) в единое целое (в совмещенном с рабочим узлом (19) корпусе).
В качестве генератора электрического тока (45) может быть использовано известное из уровня техники решение или конструкция, реализуемая различными способами на базе различного технологического оборудования, конкретный тип, характер и схема подключения которой к полезной нагрузке (32) не принципиальны для сути настоящего технического решения.
Предпочтительно использование электрических генераторов (45) с минимальными потерями и максимальным КПД (например, генераторы с возбуждением от постоянных магнитов).
Для подсоединения энергетической установке к полезной нагрузке (32) и выдачи для последующего использования требуемой мощности, в составе энергетической установки может быть предусмотрена система автоматики, защиты и управления (46), выполненная в виде блоков, модулей и датчиков, обеспечивающих надлежащее управление и безопасную эксплуатацию установки в течение всего срока ее службы.
В функции системы автоматики, защиты и управления (46) входит контроль всех требуемых параметров выдаваемой установкой, в частности по механической энергии (скорость вращения, момент вращения, механическая мощность и т.п.), по электрической энергии (напряжение, ток, электрическая мощность и т.п.), по тепловой энергии (температура, объем, давление, влажность, скорость реакции и т.п.).
Система (46) может иметь несколько режимов и уровней защиты (для обеспечения механической, электрической и тепловой безопасности), иметь возможность удаленного управления установкой, иметь функции удаленной диагностики установки (в целом) и отдельных ее элементов (в частности), иметь функции удаленного сбора и отображения статистики о параметрах и режимах работы установки в единичный момент времени или за требуемый период времени.
Система (46) может иметь подсистему контроля и управления работой отдельного (вторичного) контура теплообмена, а также компрессора (21), емкости (бака) для рабочего тела (ресивера рабочего тела) (35) и клапана (системы клапанов) (37).
В качестве системы автоматики, защиты и управления (46) может быть использовано любое подходящее, известное из уровня техники типовое решение или конструкция, реализуемая различными способами на базе различного технологического оборудования, конкретный тип, характер и схема подключения которой к рабочим узлам (19), к генератору (генераторам) электрического тока (45), к компрессору (21), к полезной нагрузке (32) и к прочим подсистемам установки не принципиальны для сути настоящего технического решения.
Итого, на фиг.13 приведено общее схематическое изображение описанной установки с указанием основных ее элементов. Процесс ее работы пояснен функциональной схемой (фиг.14) и описан ниже.
Установка работает следующим образом.
Концентратор (3) помещают в пространство, наполненное каким-либо излучением (2а) от источника (источников) излучения (1), например, излучением «видимый свет», ультрафиолетовым (УФ), инфракрасным (ИК) и (или) иным другим излучением.
При изменении положения источника (источников) (1) относительно концентратора (3) устройство слежения (13) обнаруживает это обстоятельство, а система слежения (14) поворачивает опорно-несущую конструкцию (12) и корректирует таким образом положение концентратора (3).
Излучение (2а), отражаясь от элементов (4) или (5) концентратора (3), в сконцентрированном виде (2b, 2c) попадает в фокальную плоскость (9), где расположен ресивер излучения (нагреватель) (15), точнее - его фрагмент поверхности (16).
Поглощая или пропуская сквозь себя сконцентрированное излучение (2b, 2c), ресивер излучения (нагреватель) (15) с минимальными потерями обеспечивает расширение (нагрев) заключенного внутри него (за ним) рабочего тела.
Рабочее тело, расширяясь вследствие нагрева от ресивера излучения (нагревателя) (15), перемещается в объемах рабочих камер рабочих узлов (19) и толкает поршни (лопасти) (25а) и (25b) роторов (23) и (24), которые совершают неравномерное колебательно-вращательное движение относительно друг друга, совершая при этом полезную работу.
В объемах рабочих камер каждого рабочего узла (19) осуществляются фазы термодинамического цикла с внешним подводом тепла: сжатие, подвод тепла, впуск, рабочий ход (расширение), выпуск, отвод тепла.
Изменение угла поворота поршней (лопастей) (25а) и (25b) роторов (23) и (24) изменяет давление рабочего тела (Р) (фиг.15) и объем рабочего тела (V) (фиг.16) в объемах рабочих камер рабочих узлов (19) в соответствии с термодинамическим циклом с внешним подводом тепла, т.е. PV-диаграммой, показанной на фиг.17.
На фиг.15 сплошной линией обозначена зависимость изменения давления для объема рабочего тела в рабочей камере, находящегося в рабочем узле (19) на момент начала цикла (условный угол поворота=0) в нагретом состоянии, а точечной линией - обозначена зависимость изменения давления для объема рабочего тела в рабочей камере, находящегося в рабочем узле (19) на момент начала цикла (условный угол поворота=0) в охлажденном состоянии.
На фиг.16 сплошной линией обозначена зависимость изменения объема рабочего тела в рабочей камере, находящегося в рабочем узле (19) на момент начала цикла (условный угол поворота=0) в нагретом состоянии, а точечной линией - обозначена зависимость изменения объема рабочего тела в рабочей камере, находящегося в рабочем узле (19) на момент начала цикла (условный угол поворота=0) в охлажденном состоянии.
Механизм преобразования движения (27) преобразует неравномерное колебательно-вращательное движение поршней (лопастей) (25а) и (25b) роторов (23) и (24) относительно друг друга в равномерное вращение ведомого вала (26) рабочего узла (19) и (или) общего выходного вала (40) двигателя (турбины) (18).
Механизм преобразования движения (27) суммирует моменты валов (26а) и (26b) роторов (23) и (24), передаваемые на ведомый вал (26) рабочего узла (19) согласно показанной на фиг.18 зависимости и приводит ведомый вал (26) в равномерное вращение. На фиг.18 зависимости изменения моментов выходных валов (26а) и (26b) роторов (23) и (24) от угла поворота показаны точечной и пунктирной линиями, а зависимость изменения результирующего момента ведомого вала (26) и (или) общего выходного вала (40) - сплошной линией.
В процессе работы двигателя (турбины) (18) рабочее тело на выходе из объемов рабочих камер рабочих узлов (19) поступает в охладитель (холодный теплообменник) (20), где охлаждается, создавая таким образом разницу в температуре, давлении и объеме, согласно фазам термодинамического цикла с внешним подводом тепла.
Из охладителя (холодного теплообменника) (20), рабочее тело поступает обратно в объемы рабочих камер двигателя (турбины) (18), где путем перекачки доставляется обратно к ресиверу излучения (нагревателю) (15) для нагрева, совершая при этом холостой ход.
В результате перемещения рабочего тела по замкнутому контуру от ресивера излучения (нагревателя) (15) до охладителя (холодного теплообменника) (20) и обратно через объемы рабочих камер двигателя (турбины) (18) совершается преобразование тепловой энергии рабочего тела в механическую работу, ведомый вал (26) и (или) общий выходной вал (40) равномерно вращается, и генератор (генераторы) (45) вырабатывает (вырабатывают) электрический ток.
Фиг.19 и последовательность фигур 20-28 поясняют работу двигателя (турбины) (18) в частном случае его исполнения, т.е. когда он состоит из двух рабочих узлов (19), установленных друг относительно друга с угловым сдвигом. Варианты исполнения такого двигателя (турбины) (18) были показаны на фиг.8 и фиг.9.
В таблице, показанной на фиг.19, приведена последовательность фаз в термодинамическом цикле с внешним подводом тепла при некоторых условных углах поворота роторов (23), (24) в каждом из двух рабочих узлов (19).
В левой части фигур 20-28 показаны состояния рабочих узлов (19), т.е. положения поршней (лопастей) (25а) и (25b) роторов (23) и (24), обеспечивающих циркуляцию рабочего тела. Локальные объемы рабочего тела, перемещающиеся при совершении фаз термодинамического цикла с внешним подводом тепла по соответствующим объемам рабочих камер двигателя (турбины) (18), ресиверу излучения (нагревателю) (15) и охладителю (холодному теплообменнику) (20), обозначены как A и B.
В правой части фигур 20-28 показан график изменения рабочего объема (V) и рабочего давления (Р) в рабочих узлах (19) (PV-диаграмма) при изменении условного угла поворота роторов (23) и (24) в каждом из рабочих узлов (19). Отмеченные на графике точки A и B показывают, где на нем находятся значения рабочего объема (V) и рабочего давления (Р), соответствующие изображенному слева положению поршней (лопастей) (25а) и (25b) роторов (23) и (24) в рабочих узлах (19).
Если в составе установки имеется компрессор (21), емкость (бак) для рабочего тела (ресивер рабочего тела) (35) и клапан (система клапанов) (37), это обеспечивает автоматическое или ручное регулирование давления рабочего тела (17) путем нагнетания охлажденного рабочего тела в соответствующие объемы рабочих камер двигателя (турбины) (18) и повышает безопасность работы установки.
Если в составе установки имеется второй контур теплообмена, это позволяет выполнять дополнительную полезную работу, то есть вырабатывать полезную тепловую энергию в дополнение к получаемой от установки полезной электрической энергии, как для конечных потребителей, так и для собственных нужд установки, в частности, для обеспечения своей бесперебойной работы на необходимый период времени (например, в ночное время), в отсутствие источника (источников) излучения или невозможности ориентирования на него (них).