Результат интеллектуальной деятельности: Универсальная гелиотермоэлектростанция

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для утилизации тепловой энергии природных источников, а именно, для прямой трансформации солнечной энергии в электрическую в различных условиях.

Известна теплотрубная гелиотермоэлектростанция, включающая поддон с отверстием в днище, закрытый сверху крышкой, выполненной из материала с высокой тепловодностью и покрытой фотоэлементами, внутренняя сторона которой покрыта решеткой, выполненной из полос пористого материала, при этом отверстие поддона соединено с верхним торцом вертикальной трубы, нижний торец которой заглушен, выполненной из материала с высокой тепловодностью, погруженной в грунт на глубину Н, в центре которой помещена подъемная труба, заполненная вышеупомянутым пористым материалом, верхний и нижний торцы подъемной трубы отступают от нижнего торца вертикальной трубы и внутренней поверхности крышки поддона на расстояние ∆, образуя щели, пространство которых также заполнено пористым материалом, соприкасающимся с нижним торцом внизу и решеткой верхней крышки вверху, причем стенка вертикальной трубы выполнена с вертикальными гофрами, внутри каждого гофра размещены вертикальные пазы длиной L, в каждый из которых вставлен вертикальный термоэлектрический преобразователь, выполненный из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, спаянные на концах между собой таким образом, что их спаи согнуты под углом 90⁰ а сами проволочные отрезки расположены параллельно друг другу, образуя П–образные ряды, нижние крайние проволочные отрезки каждой пары П–образных рядов термоэлектрических преобразователей, соединены между собой перемычками, сверху каждая пара П–образных рядов, соединены между собой через электрические конденсаторы, первый и последний из которых и фотоэлементы соединены с выходными коллекторами, накопительным блоком и потребителем [Патент РФ №2630363, МПК E 04 C2/26, 2017].

Основными недостатками известной теплотрубной гелиотермоэлектростанции являются ее жесткая привязка к определенному участку местности, что резко ограничивает диапазон ее использования и снижает эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является походная гелиотермоэлектростанция, включающая ковер (плоскость), собранный из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототермоэлектрический преобразователь, покрытый гидроизоляционной пленкой, внутри которой помещены фотоэлемент, присоединенный своей тыльной стороной к наружной стороне корпуса термоэлектрического преобразователя, выполненного из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, спаянные на концах между собой таким образом, что их спаи согнуты под углом 90⁰ и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя параллельно ей, не касаясь ее, а сами парные проволочные отрезки расположены параллельно друг другу, образуя П–образные ряды, крайние проволочные отрезки крайних П–образных рядов термоэлектрических преобразователей и фотоэлементы через свои клеммы в каждом вертикальном ряду фототермоэлектрических преобразователей ковра соединены между собой последовательно через электрические конденсаторы, перемычки с выходными коллекторами, выходные клеммы которых, в свою очередь, соединены с накопительным блоком [Патент РФ №2622425, МПК E 04 C2/26, 2017].

Основным недостатком известной походной гелиотермоэлектростанции является невозможность использования тепла, выделяющегося из фотоэлементов при генерации электричества, что снижает ее эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются повышение эффективности универсальной гелиотермоэлектростанции.

Технический результат достигается универсальной гелиотермоэлектростанцией, содержащей прямоугольную плоскость, собранную из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототеплотрубнотермоэлектрический преобразователь, покрытый гидроизоляционной пленкой, внутри которой помещены фотоэлемент, соединенный перемычками с коллекторами одноименных зарядов и присоединенный своей тыльной стороной к теплотрубному теплообменнику, выполненному в форме прямоугольного корпуса, крышка и днище которого покрыты изнутри решеткой, выполненной из полос капиллярного материала, частично заполненного рабочей жидкостью, в полости корпуса решетки крышки и днища соединены между собой вертикальными фитилями, также частично заполненными рабочей жидкостью и покрытыми цилиндрическим кожухами с треугольными прорезями на их верхних и нижних торцах и прикрепленными к крышке и днищу корпуса, причем внутренняя поверхность крышки и днища корпуса теплотрубного теплообменника, покрытые решеткой, составляют зоны испарения и конденсации, соответственно, а фитили образуют зону транспорта, к наружной стороне днища теплотрубного теплообменника примыкают плоские термоэлектрические преобразователи, к внешней стороне которых прижаты радиаторы, перемычки с коллекторами одноименных зарядов плоских термоэлектрических преобразователей и фотоэлементов, в свою очередь, соединены с накопительным блоком.

На фиг. 1–7 представлена универсальная гелиотермоэлектростанция (УГТЭС): на фиг. 1, 2 – общий вид и разрез УГТЭС; на фиг. 3,4 – фототеплотрубнотермоэлектрический преобразователь (ФТТТЭП) и его разрез; на фиг. 5–7 – основные узлы ФТТТЭП.

Предлагаемая универсальная гелиотермоэлектростанция (УГТЭС) содержит плоскость 1, собранную из прямоугольных секций, каждая из которых представляет собой фототеплотрубнотермоэлектрический преобразователь (ФТТТЭП) 2, покрытый гидроизоляционной пленкой 3, внутри которой помещены фотоэлемент 4, соединенный перемычками 5 с коллекторами одноименных зарядов 6, 7 и присоединенный своей тыльной стороной к теплотрубному теплообменнику (ТТТО) 8, выполненному в форме прямоугольного корпуса 9, крышка и днище которого покрыты изнутри решеткой 10, выполненной из полос капиллярного материала, частично заполненного рабочей жидкостью, в полости корпуса 9 решетки 10 крышки и днища соединены между собой вертикальными фитилями 11, также частично заполненными рабочей жидкостью и покрытыми цилиндрическим кожухами 12 с треугольными прорезями на их верхних и нижних торцах и прикрепленными к крышке и днищу корпуса 9, причем внутренняя поверхность крышки и днища корпуса 9, покрытые решеткой 10, составляют зоны испарения и конденсации 13 и 14, соответственно, а фитили 11 образуют зону транспорта 15, к наружной стороне днища ТТТО 8 примыкают плоские термоэлектрические преобразователи (ПТЭП) 16 (например, элементы Пелтье), к внешней стороне которых прижаты радиаторы 17, перемычки 5 с коллекторами одноименных зарядов 6, 7 термоэлектрических преобразователей 16 и фотоэлементов 4, в свою очередь, соединены с накопительным блоком (на фиг. 1–7 не показан).

В основу работы предлагаемой УГТЭС положено свойство фотоэлементов 4 при воздействии на них солнечных лучей преобразовывать воспринятую солнечную энергию в электрическую и тепловую энергии [А. с. СССР №1603152, МПК F24 J2/32, 1990]. При этом использование ТТТО 8 для охлаждения фотоэлементов 4 позволяет многократно увеличить скорость процесс теплообмена по сравнению со скоростью аналогичного процесса с использованием обычных теплообменниках, что обусловлено высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации. [А. Н. Плановский, П. И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987, с. 146; В. В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. – Минск: Выш. школа, 1988, с.106; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. трудов. М.: – 1990, с. 22]. Так как при нагреве верхних поверхностей ПТЭП 16 происходит конденсация пара рабочей жидкости в ТТТО 8 и охлаждение наружных поверхностей радиаторами 17, то на них устанавливаются разные температуры, в результате чего в ТЭП 16 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. При этом, треххслойная компоновка ФТТТЭП 2 (сверху – фотоэлемент 4, посредине – ТТТО 8, снизу – ПТЭП 16 позволяет одновременно производить съем тепла с фотоэлементов 4 с высокой скоростью и нагревать ПТЭП 16 при требуемой для них температуре также с высокой скоростью, генерируя дополнительное количество электричества.

УГТЭС работает следующим образом. Количество ФТТТЭП 2, входящих в плоскость 1, определяется в зависимости от наружных условий места установки УГТЭС (космическое или воздушное пространство, поверхность земли, воды, температуры, вида наружного грунта, снежного или ледяного покрытия) и требуемой мощности. Сборку УГТЭС осуществляют перед ее размещением, после чего плоскость 1 ориентируют на месте установки по солнечному освещению и соединяют с потребителем (на фиг.1–7 не показан). Местом установки УГТЭС могут быть: космическое или воздушное пространство, наружная поверхность грунта, снежная, ледяная или водная поверхности (на фиг. 1–7 не показаны). При этом, в зависимости от места установки в ТТТО 8 используется различные виды рабочей жидкости, а именно, в районах жаркого климата можно использовать в качестве рабочей жидкости обычную воду, в умеренных и холодных районах – водные растворы диэтиленгликоля, в воздушном и космическом пространстве – жидкий аммиак или водные растворы аммиака.

После установки УГТЭС наружная поверхность фотоэлементов 4 ФТТТЭП 2 нагревается солнечными лучами, генерируя электричество, а нижняя поверхность фотоэлементов 4 охлаждается в результате контакта с крышкой ТТТО 8 и нагревает ее, отдавая тепло, выделившееся в результате генерации электричества. При нагреве крышки корпуса 9 происходит испарение рабочей жидкости в ячейках решетки 10, находящейся в фитилях 11 и капиллярном материале решетки 10, которые транспортирует рабочую жидкость в зону испарения 13 (внутреннюю поверхность крышки корпуса 9, находящаяся в ячейках решетки 10) через треугольные прорези цилиндрических кожухов 12, в результате чего образуется пар. При этом покрытие решеткой 10, выполненной из полос капиллярного материала и образующей ячейки на внутренней поверхности крышки корпуса 9 предотвращает образование паровой пленки на ней и таким образом, интенсифицирует процесс испарения. Образовавшийся пар заполняет паровое пространство полости ТТТО 8 и конденсируется в зоне конденсации 14, а именно, в ячейках решетки 10 на внутренней поверхности днища корпуса 9, покрытой решеткой 10, что также уменьшает толщину пленки конденсата на ней и, таким образом, интенсифицирует процесс конденсации. Образовавшийся конденсат поглощается капиллярным материалом полос решетки 10, соединенной с фитилями 11 зоны транспорта 15 через треугольные прорези на нижних кромках цилиндрических кожухов 12, транспортируется фитилями 11 к крышке корпуса 9 и через треугольные прорези кожухов 12 распределяется решеткой 10 по внутренней поверхности крышки корпуса 9, после чего цикл повторяется. При этом процесс теплообмена с горячей и холодной средами протекает со скоростью многократно превышающей скорость аналогичного процесса в обычных теплообменниках, обусловленной высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации. Одновременно, тепло конденсации рабочей жидкости передается через днище корпуса 9 ТТТО 8 передается ПТЭП 16, нагревая их, за счет чего происходит равномерный нагрев их внутренней поверхности. Так как наружная поверхность ПТЭП 16 снабжена радиаторми 17, а снаружи температура среды значительно ниже и равна t_С создается значительная разность температур между температурой наружной поверхности ТЭП 16 t_П и температурой среды (t_П– t_С), в результате чего между ними происходит процесс теплообмена. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения в ПТЭП 16 вызывает в них эмиссию электронов и возникновение в них термоэлектричества. Полученное электричество в фотоэлементах 4 и термоэлектричество ПТЭП 16 через перемычки 5 и коллекторы одноименных зарядов 6, 7 (расположение перемычек 5 и коллекторов 6, 7 на фиг. 1–7 показано условно) поступает в накопительный блок и потребителю (на фиг.1–7 не показаны).

При этом, хотя в зимнее время верхняя поверхность ФТТТЭП 2 нагревается солнечными лучами меньше, чем в летнее время, в этот период нижняя поверхность ПТЭП 16 охлаждается значительно больше, чем в летнее за счет более низкой температуры поверхности грунта (снега, льда, воды) и поэтому величина разности температур (t_П– t_С) и генерируемого термоэлектричества в ПТЭП 16 может быть также значительной.

Величина разности электрического потенциала на токовыводах коллекторов одноименных зарядов фототеплотрубнотермоэлектрического преобразователя, сила электрического тока зависят от продолжительности и интенсивности солнечного облучения, температуры и других характеристик наружной среды, характеристик и количества фотоэлементов, рабочей жидкости в теплотрубном теплообменнике, характеристик и количества плоских термоэлектрческих преобразователей и радиаторов. Полученный электрический ток можно использовать для обслуживания различных технических устройств, а также обогрева и освещения временных жилых и производственных помещений.

Таким образом, предлагаемая универсальная гелиотермоэлектростанция обеспечивает, как в летнее, так и в зимнее время, на земле, в воздушном ил космическом пространстве утилизацию солнечной энергии, тепла и холода окружающей среды (воздушного или космического пространства, грунта, снега, льда, воды) с получением электрической энергии, которую можно использовать для обслуживания различных технических устройств, обогрева и освещения временных жилых и производственных помещений без затраты топлива, загрязнения окружающей среды, создания шумового эффекта и выделения теплового излучения, что, в конечном счете, повышает эффективность работы электростанции.