×
17.10.2019
219.017.d683

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИ ОБТЕКАНИИ НАГРЕТОГО ТЕЛА ЗА СЧЕТ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА В ВИХРЕВОМ СЛЕДЕ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в области энергетики, в том числе альтернативной, микроэлектроники и экологии, при использовании и преобразовании низкопотенциального тепла напрямую в электричество. Задачей изобретения является создание нового эффективного способа преобразования низкопотенциального тепла напрямую в электричество. Поставленная задача решается тем, что в способе получения электричества при обтекании нагретого тела за счет пироэлектрического преобразования тепла в вихревом следе, при котором при обтекании нагретого тела потоками газа или жидкости за ним образуется вихревой след, в который помещают электрогенератор для получения электрической энергии, согласно изобретению в вихревой след помещают пироэлектрический генератор для прямого преобразования тепловых пульсаций в электрическую энергию, в качестве обтекаемых нагретых тел используют препятствия различной конфигурации, а поверхность обтекаемого тела нагревается за счет проходящего в нем технологического потока жидкости или газа. 3 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в области энергетики, в том числе альтернативной, микроэлектроники и экологии, при использовании и преобразовании низкопотенциального тепла напрямую в электричество. Изобретение может быть использовано в научно-исследовательских работах по экспериментальному исследованию гидродинамических неизотермических течений, используя пироэлектрическое преобразование тепла и пироэлектрический эффект различных материалов.

Рассеянная в окружающей среде тепловая энергия в настоящее время является предметом повышенного интереса в результате растущих энергетических потребностей, и, как средство для создания автономных систем с автономным питанием.

Тепло от окружающей среды остается почти повсеместным и обильным источником энергии, которая часто теряется, как низкопотенциальное тепло (~25-200°C). Отработанное тепло относится к энергии, выделяемой в качестве побочного продукта; охлаждения, или циклов теплового насоса. Его часто выпускают в атмосферу, реки, океаны или в виде горячих газов, горячей воды.

К сожалению, меньше всего решений существует для преобразования среднего и низкого класса тепловых отходов в пригодные для использования формы энергии. Если отработанное тепло может быть эффективно переработано в полезные формы энергии, оно может выступать в качестве потенциального источника для удовлетворения растущего спроса на энергию. Менее широко исследуемая территория - пироэлектрический сбор энергии, в котором колебания температуры преобразуются в электрическую энергию, хотя, возможность для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с использованием сегнетоэлектрических материалов была рассмотрена достаточно давно.

Создание устройств пироэлектрического преобразования тепла тормозится малой их эффективностью, и соответственно КПД. Известен способ преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью пироэлектрических преобразователей, при котором пироэлектрический элемент попеременно соприкасается с нагретым и холодным телом [Ravindran S.K.T., Kroener M., Woias P. A standalone pyroelectric harvester for thermal energy harvesting. PowerMEMS 2012, Atlanta, GA, USA, December 2-5, 2012]. В экспериментах при разности температур тел 85 К было получена мощность 15,7 мкВт.

Однако с ростом минимизации и при интеллектуальном управлении микроэлектроникой пироэлектрический эффект возможно использовать для микродатчиков и источников длительного питания.

В системах вентиляции, охлаждения при обтекании различных нагретых элементов воздушными потоками возникают вихревые структуры, которые создают пульсации температуры в определенных местах в своем следе. Эти пульсации температуры возможно использовать в качестве источника пироэлектрического эффекта для получения электричества малой мощности.

Известно устройство (патент ЕР 2953259, H02N 2/18, 2015 г.), которое в основном состоит из пьезоэлектрического элемента, соответствующим образом прикрепленного к аэродинамическому придатку, имеющему особый размер по форме и механическим характеристикам для использования специфического эффекта потока воздуха (в частности, один из эффектов, которые в техническом отношении называются «разрывы вихрей», «флаттер», или «вибрации, вызванные турбулентным потоком») для производства электрической энергии.

Известно решение (Weinstein L.A., Cacan M.R., So P.M., Wright P.K. Vortex shedding induced energy harvesting from piezoelectric materials in heating, ventilation and air conditioning flows // Smart Mater. Struct. 2012. V. 21. 045003) и решение (Alhadidi A.H., Daqaq M.F.A broadband bi-stable flow energy harvester based on the wake-galloping phenomenon // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. 033904), где показана возможность получения пьезоэлектричества малой мощности в узком диапазоне скоростей при специальных конструкциях. В первом решении приводится способ преобразования энергии с помощью пьезоэлектрика. Способ заключается в том, что за обтекаемым воздушным потоком цилиндрическим препятствием возникают вихревые структуры типа дорожки Кармана, которые приводят к возникновению колебаний давления в следе. На расстоянии 2-5 калибров (диаметров), где возникают максимальные колебания, располагают пластину, воспринимающую эти колебания. На этой пластине, в месте максимальной деформации крепится пьезопреобразователь, который преобразует деформацию пластины в электричество. Устройство работает в области 16-40 Гц с максимумом порядка 20 Гц. Во втором решении способ формирования вихрей имеет ту же самую физическую природу. Но для усиления колебаний воспринимающей пластины используются магниты, сохраняющие неустойчивое состояние пластины с прикрепленным пьезопреобразователем.

Наиболее близким по существенным признакам является устройство (патент CN 107707153, H02N 2/18, 2018 г.). Изобретение раскрывает пьезоэлектрическое устройство генерирования электроэнергии на основе турбулентного потока, который обтекает цилиндрическое тело.

В приведенном выше устройстве получения электричества на основе пьезопреобразования с использованием колебаний давления в следе обтекаемого цилиндрического тела основным недостатком является относительная сложность создания определенных условий для формирования потоков, двухступенчатое преобразование энергии от потока к механической и далее к электрической энергии. Для достижения максимальной эффективности используют устройства усиления механической деформации пьезоэлемента, что приводит к существенному усложнению конструкции преобразователя. В частности используют магнитный узел для усиления бистабильного состояния пьезопреобразователя.

Основной недостаток известных решений заключается в узкой полосе частот сбора энергии с дополнительными элементами усиления деформаций для преобразования колебаний давления в вихревом следе в механическую энергию, низкой эффективности электромеханических преобразований пьзоэлектрических устройств.

Задачей изобретения является создание нового эффективного способа преобразования низкопотенциального тепла напрямую в электричество.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения электричества при обтекании нагретого тела за счет пироэлектрического преобразования тепла в вихревом следе, при котором при обтекании нагретого тела потоками газа или жидкости за ним образуется вихревой след, в который помещают электрогенератор для получения электрической энергии, согласно изобретению, в вихревой след помещают пироэлектрический генератор для прямого преобразования тепловых пульсаций в электрическую энергию, в качестве обтекаемых нагретых тел используют препятствия различной конфигурации, а поверхность обтекаемого тела нагревается за счет проходящего в нем технологического потока жидкости или газа.

Поверхность обтекания нагревается, и в следе возникают колебания температуры, которые напрямую преобразуются в электричество посредством пироэлектрического эффекта в пиро-(пьезо)материалах. Пироэлектрический преобразователь (пирогенератор) в следе обтекаемого тела устанавливается неподвижно, поэтому механические колебания отсутствуют, и не требуется согласования механических частот пластины преобразователя и частоты воздействия вихрей. В предлагаемом изобретении пирогенератор работает во всем диапазоне возникновения вихревых структур (колебаний температур).

На фиг. 1 представлен вид устройства для осуществления способа получения электричества при обтекании нагретого тела за счет пироэлектрического преобразования тепла в вихревом следе, где:

1 - нагретое тело;

2 - пироэлектрический генератор;

3 - крепление пироэлектрического генератора.

На фиг. 2 показана эквивалентная схема пироэлектрического генератора и измерение напряжения на типовой нагрузке RL.

На фиг. 3 приведена таблица данных эксперимента (через запятую для 5 и 3 пироэлектрических элементов соответственно).

Способ осуществляется следующим образом.

При обтекании нагретого тела 1 потоками газа или жидкости за ними образуются вихревые структуры типа дорожки Кармана. Вихревые структуры (вихри) имеют отличную от внешнего потока температуру. Такие нагретые вихри создают пульсации тепла (температуры) в определенных местах за телом обтекания. Первая вихревая структура формируется за телом на расстоянии примерно 1-1,5 диаметра и здесь будет максимальная с внешним потоком разность температур. В этом месте устанавливается пирогенератор 2, который преобразует тепловую энергию в электрическую. Пирогенератор 2 состоит из нескольких пироэлементов. Количество пироэлементов зависит от их размеров, взаимного расположения и размера обтекаемого тела. При использовании нагретых цилиндрических тел (труб), за ними образуется след, состоящий из двух вихревых дорожек, в которые помещаются 2 пиролектрических генератора.

Промышленная применимость.

Были проведены экспериментальные исследования в аэродинамическом канале. Аэродинамический канал содержит осевой вентилятор, который подает воздух в канал, камеру формирования профиля скорости с хонейкомбом и конфузором, рабочий участок, диффузор и вытяжную систему. Рабочий участок установки, изготовленный из оргстекла, имеет форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным поперечным внутренним сечением 0,125×0,125 м2 и длиной 1 м. Управляющий блок позволяет плавно менять вращение вентилятора, обеспечивая поддержание средней скорости ядра потока в рабочем участке в диапазоне 0,5-30 м/с.

В рабочий участок помещалась горизонтально дюралевая трубка с внешним диаметром 31 мм и толщиной стенок 2 мм. Цилиндр обтекался потоком воздуха комнатной температуры при различной скорости. За цилиндром при его обтекании возникают вихревые структуры типа дорожки Кармана, которые асимметрично квазипериодически сходят с верхней и нижней части. Частота схода этих вихрей (без нагрева) определяется из числа Струхаля, величина которого составляет Sh≈0,2 для широкого интервала чисел Рейнольдса Re≈2⋅102-2⋅105. В этом же диапазоне чисел Рейнольдса коэффициент сопротивления цилиндра не меняется и составляет порядка 1. Из скорости потока v, диаметра цилиндра D можно определить частоту схода вихрей с поверхности цилиндра: fSh=(Sh×v)/D=0,18v/D.

Для получения пульсаций температуры в вихревом следе за цилиндром внутрь трубки помещался омический нагреватель, мощность которого можно было менять с помощью ЛАТР. Температура на поверхности тела измерялась термопарой с подветренной стороны потока. Электрическая мощность нагревателя в трубке была постоянной и равна 330 Вт.

В качестве пироэлектрического генератора использовалась кассета из пяти пироэлементов (фиг. 1), каждый из которых представляет собой пластинку, состоящую из бронзовой подложки диаметром 27 мм и толщиной 200 мкм с нанесенной на нее пьезокерамикой ЦТС (цирконат-титанат свинца) диаметром 20 мм и толщиной 220 мкм. Пироэлементы находились на расстоянии 2 мм друг от друга, и были соединены параллельно, имея каждый емкость Ср≈22 нФ, сопротивление Rp≈1 ГОм. Кассета с пироэлектриками устанавливалась на расстоянии 1-1,5D от цилиндра вниз по течению. Дополнительно были проведены измерения с кассетой из 3 пироэлектриков, расстояния между которыми были порядка 5 мм.

Были измерены температуры за цилиндром в следе и в свободном потоке в одном и том же сечении. Разница температур составила 25-35°С в зависимости от диапазона параметров, указанных в таблице (фиг. 3).

Измерения напряжения на нагрузке URL проводились цифровым осциллографом ADS-2061MV с входным сопротивлением RL=1 МОм (фиг. 2). Было получено переменное напряжение со средней амплитудой Ua.

В таблице (фиг. 3) приведены данные эксперимента, через запятую для 5 и 3 пироэлементов соответственно.

Показана возможность получения пироэлектричества в вихревом следе обтекаемого нагретого тела без учета оптимальных режимов и конструкции устройства пирогенератора.

Преимущества предложенного способа:

- прямое преобразование тепловых (температурных) пульсаций в электричество;

- использование коммерческой достаточно дешевой керамики в качестве материала пироэлемента;

- простота конструкции;

- возможность использования пироэлементов в широком диапазоне частот, возможность использования большого количества их одновременно.

Способ позволяет получать электрическую энергию малой мощности из тепловых пульсаций при обтекании нагретых тел различной конфигурации, которые используются в вентиляционной и аэродинамической системах, в системах микроэлектроники для питания различных маломощных датчиков и накопления энергии в аккумуляторах.

Способ получения электричества при обтекании нагретого тела за счет пироэлектрического преобразования тепла в вихревом следе, при котором при обтекании нагретого тела потоками газа или жидкости за ним образуется вихревой след, в который помещают электрогенератор для получения электрической энергии, отличающийся тем, что в вихревой след помещают пироэлектрический генератор для прямого преобразования тепловых пульсаций в электрическую энергию, в качестве обтекаемых нагретых тел используют препятствия различной конфигурации, а поверхность обтекаемого тела нагревается за счет проходящего в нем технологического потока жидкости или газа.
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИ ОБТЕКАНИИ НАГРЕТОГО ТЕЛА ЗА СЧЕТ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА В ВИХРЕВОМ СЛЕДЕ
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИ ОБТЕКАНИИ НАГРЕТОГО ТЕЛА ЗА СЧЕТ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА В ВИХРЕВОМ СЛЕДЕ
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 95 items.
27.07.2013
№216.012.5916

Способ сепарации низкокипящего компонента из смеси паров и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к нефтяной, газовой отраслям промышленности и может быть использована при разделении углеводородных смесей и сжиженных газов. Согласно способу сепарации низкокипящего компонента из смеси паров смесь подают в состоянии пароконденсата и закручивают внутри вертикальной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488427
Дата охранного документа: 27.07.2013
10.08.2013
№216.012.5dd6

Конденсационная котельная установка (варианты)

Изобретение относится к энергетике. Конденсационная котельная установка включает паровой котел с основным и байпасным газоходами, водяной экономайзер (ЭВ), конденсационный теплообменник-утилизатор теплоты продуктов сгорания топлива (КТУ), дымосос и дымовую трубу, а также поверхностный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489643
Дата охранного документа: 10.08.2013
10.11.2013
№216.012.7f86

Способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений и устройство для его реализации

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать потоки жидкости и газа. Изобретение основано на совместном использовании ЛДА и PIV. Устройство включает импульсный лазер с энергией импульса не менее 120 мДж, частотой срабатывания не менее 16 Гц, две CCD камеры...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002498319
Дата охранного документа: 10.11.2013
20.12.2013
№216.012.8dee

Способ экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов и мусоросжигательный завод для его осуществления

Изобретение относится к области сжигания отходов или низкосортных топлив. Мусоросжигательный завод состоит из бункерного блока, блока сжигания ТБО во вращающейся печи барабанного типа, блока дымоочистки, блока водоподготовки и утилизации тепла, блока утилизации золы, который содержит плавильный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502017
Дата охранного документа: 20.12.2013
20.12.2013
№216.012.8def

Комплексная районная тепловая станция для экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов

Изобретение относится к области сжигания отходов или низкосортных топлив. Комплексная районная тепловая станция для экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов содержит 2 цеха: мусоросжигающий цех (МСЦ) и теплоцех, причем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502018
Дата охранного документа: 20.12.2013
27.01.2014
№216.012.9d33

Трансформаторный плазматрон низкого давления для ионно-плазменной обработки поверхности материалов

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкого давления, и может быть использовано в микроэлектронике для обработки полупроводниковых материалов (плазменное травление, оксидирование, очистка поверхности и т.д.), осаждения тонких пленок, в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002505949
Дата охранного документа: 27.01.2014
10.02.2014
№216.012.9f7d

Оптический способ измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки

Способ может быть использован для бесконтактных, непрерывных измерений толщин прозрачной пленки. Способ включает направленное воздействие лучей света на пленку, их полное внутреннее отражение на границе раздела сред и последующую обработку отраженного света. Источник света помещают над пленкой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506537
Дата охранного документа: 10.02.2014
20.02.2014
№216.012.a2fb

Инжектор для криогенной жидкости

Изобретение относится к области криогенной и вакуумной техники и касается устройств дозированной выдачи криогенной жидкости в технологические зоны с высоким и сверхвысоким давлением. Инжектор криогенной жидкости включает узел ввода криогенной жидкости, криорезервуар и узел вывода криогенной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002507438
Дата охранного документа: 20.02.2014
10.04.2014
№216.012.afd9

Система охлаждения светодиодного модуля

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании эффективных систем охлаждения модулей мощных светодиодов. Технический результат - обеспечение высокоэффективного отвода тепла от расположенных на поверхности модуля полупроводниковых светодиодов при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510732
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.04.2014
№216.012.b21e

Дезинтегратор для помола угля

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для помола угля в установках глубокой переработки угля в другие виды топлива. Дезинтегратор для помола угля содержит корпус 1, два вращающихся в противоположных направлениях и жестко закрепленных на полых горизонтальных валах...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511314
Дата охранного документа: 10.04.2014
+ добавить свой РИД