Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА И/ИЛИ БИОГАЗА

Изобретение относится к энергетике, конкретно к барогальваническим генераторам для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Известны способы преобразования солнечной энергии в электроэнергию (Б.Андерсон, «Солнечная энергия (Основы строительного проектирования)», М.: Стройиздат, 1982 г.) [1].

Известен способ и устройство прямого преобразования солнечной энергии в электричество с помощью барогальванического преобразователя (С.А.Сидорцев «О барогальваническом преобразователе солнечной энергии в электричество и тепло», ж. «Гелиотехника» №3, 1984 г.) [2].

Способ прямого преобразования солнечного тепла в электричество [2] принят за прототип и обладает рядом перспективных достоинств, к которым следует отнести: высокую энергетическую эффективность, отсутствие движущихся частей, дешевое рабочее тело, малый удельный вес, поскольку в современных условиях электродный блок генератора может быть изготовлен с использованием новых наноматериалов (углеродных нанотрубок) и нанотехнологий.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения резервной электроэнергии из тепловой энергии солнца и/или сжигаемого биогаза.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения это: 1 - повышение удельной мощности прямого преобразования солнечного тепла в электричество; 2 - выработка одноразового наперед заданного количества киловатт-часов электроэнергии.

Для решения сформулированной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе [2] получения электроэнергии путем прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в барогальваническом генераторе, путем нагрева и перегрева рабочего тела в жидкой фазе в полости высокого давления, его ионизации на границе: электрод высокого давления - электролит, переноса ионов рабочего тела через слой электролита под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов рабочего тела на границе: электролит - электрод низкого давления и поступления рабочего тела в виде перегретого пара от электрода низкого давления в полость низкого давления, в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, а полость низкого давления сообщают с земной атмосферой вблизи поверхности Земли, в которую самопроизвольно выпускается перегретый пар низкого давления рабочего тела.

Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения станут понятными при рассмотрении прилагаемых фигур.

Фиг.1. Функциональная схема барогальванического электрогенератора, в котором реализуется предлагаемый способ получения электроэнергии: а) в начале работы генератора; б) в конце работы генератора.

Фиг.2. Изображение в T-S диаграмме (температура - энтропия): совокупность термодинамических процессов, характеризующих предлагаемый способ получения электроэнергии (сплошные линии) и термодинамический цикл способа-прототипа получения электроэнергии (пунктирные линии).

Фиг.3. Расчетные значения напряжений (V) и удельной мощности (W) на клеммах барогальванического электрогенератора, работающего по предлагаемому способу (сплошные линии) и способу-прототипу (пунктирные линии).

На фиг.1 изображено: 1 - токогенерирующая ячейка барогальванического электрогенератора; 2 - полость высокого давления перегретого жидкого рабочего тела (перегретого жидкого йода) с давлением P₁=2,5 атм, температурой Т₁=573 К, с максимальной массой рабочего тела М_р.т.=max и объемом полости 2 - V=const; 3 - полость низкого давления с температурой T₁=573 К перегретого пара низкого давления рабочего тела и давлением Р₂=2,5·10^-5 атм (перегретый пар йода низкого давления); 4 - пористый электрод высокого давления; 5 - пористый (газодиффузионный) электрод низкого давления; 6 - электролит (например, йодистое серебро); 7 - дырчатая (перфорированная) стенка, ограничивающая полость низкого давления 3; 8 - самопроизвольное выпускание перегретого пара низкого давления Р₂=2,5·10^-5 атм (йода) с температурой Т₁=573 К в атмосферу Земли в процессе выработки электроэнергии ячейкой 1; 9 - выходные электрические клеммы ячейки 1 электрогенератора; Q₁ - подвод тепла солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза к ячейке 1 электрогенератора.

На фиг.2 изображено: К - критическая точка; Х=1 - линия жидкого рабочего тела; (10-11-12-13-14) - совокупность термодинамических процессов, характеризующих предлагаемый способ получения электроэнергии: (10-11) - процесс нагрева твердого рабочего тела (кристаллического йода) от твердого состояния Т_тв. до температуры плавления Т_пл.=386,6 К с поглощением солнечного тепла Q₂; (11-12) - процесс плавления твердого рабочего тела и переход его в жидкое состояние при температуре Т_пл.=386,6 К с поглощением солнечного тепла Q₃ - теплоты фазового перехода; (12-13) - процесс нагрева жидкого рабочего тела (йода) при постоянном давлении Р₂=2,5 атм от температуры Т_пл.=386,6 К до температуры, равной T₁=573 К, - температуре перегрева жидкого йода с поглощением тепла Q₄; (13-14) - процесс изотермической выработки электрической энергии в ячейке 1 при температуре T₁=573 К с поглощением тепла Q₅, при этом Q₁=Q₂+Q₃+Q₄+Q₅; 13 - точка на T-S диаграмме, в которой рабочее тело находится в перегретом жидком состоянии с температурой Т₁=573 К и давлением Р₂=2,5 атм; 14 - точка на T-S диаграмме, в которой рабочее тело находится в виде перегретого пара низкого давления с температурой T₁=573 К и давлением Р₂=2,5-10^-5 атм; (15-16-17-18-19-20-15) - термодинамический цикл на T-S диаграмме способа-прототипа получения электроэнергии: (15-16) - процесс нагрева твердого рабочего тела (йода) до температуры плавления; (16-17) - процесс плавления рабочего тела; (17-18) - процесс нагрева и перегрева жидкого рабочего тела; (18-19) - процесс изотермической выработки электроэнергии; (19-20) - процесс охлаждения перегретого пара рабочего тела; (20-15) процесс изотермического перехода от сухого пара до твердого состояния рабочего тела (кристаллического йода).

Барогальванический электрогенератор работает по предлагаемому способу следующим образом.

Тепловая энергия сконцентрированного солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза Q₁ поднимает температуру ячейки 1 до температуры T₁=573 К, при которой находящееся в полости высокого давления 2 рабочее тело будет находиться в перегретом состоянии с давлением P₁=2,5 атм и температурой T₁=573 К.

Рабочий процесс токообразования в ячейке 1 состоит в ионизации жидкого йода высокого давления P₁ в полости 2 по реакции на границе: электрод 4 - электролит 6, перетоке ионов через слой электролита 6 под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов йода на границе: электролит 6 - электрод 5 по реакции в полости 3.

Расширение жидкого йода через электродный блок, включающий электроды 4 и 5 и электролит 6, происходит изотермически с поглощением тепла Q₅ (фиг.2, процесс (13-14)). Пар йода низкого давления Р₂=2,5·10^-5 атм (у прототипа Р2 соответствует давлению упругих паров над твердым йодом при температуре Т=300 К и составляет величину Р'₂=2,5·10^-4 атм (Дж.Кэй, Т.Лэби «Таблицы физических и химических постоянных», физ-мат. литература, М., 1962, с. 112) через отверстия 8 стенки 7 будет уходить в атмосферу вблизи поверхности Земли. В ней отсутствует йод, и поэтому в атмосфере Земли нет парциального давления пара йода - оно равно нулю. Давление воздуха порядка 1 атмосферы не будет препятствовать быстрому уходу перегретого пара йода от электрода 5 через отверстия 8 стенки 7 в воздушную окружающую среду вблизи поверхности Земли. Это давление Р₂ будет ниже давления упругих паров йода над твердой фазой Р'₂=2,5·10^-4 атм. Поскольку в реальности давление Р₂ неизвестно, то примем его Р₂=2,5·10^-5 атм, отличающееся от Р'₂=2,5·10^-4 атм в 10 раз в сторону уменьшения.

Электродвижущая сила токогенерирующей ячейки 1 определится по формуле:

где ΔG - перепад термодинамического потенциала Гиббса - Дж/моль;

Z - валентность иона йода, переносчика заряда в системе Z=2;

F - число Фарадея, 96500 Кл/моль ≈10^-4 Кл/моль;

R - газовая постоянная, ;

Р₁=2,5 атм; Р₂=2,5·10^-5 атм; Т_т.я.=Т₁=573 К. Подставляя значения величин в формулу (1), получим напряжение на клеммах 9 ячейки 1 генератора:

Удельная мощность на клеммах 9 ячейки 1 генератора определяется формулой:

где J - плотность тока на электродах 4, 5, А/см².

В качестве электролита примем йодистое серебро AgI с электропроводностью æ_электр≈0,1 1/Ом·см, и толщину электролита примем δ=0,1 см, тогда формула (3) примет вид:

На фиг.3 представлены расчетные значения напряжений на клеммах 9 одной ячейки и ее удельной мощности, рассчитанные по формулам (1 - 4) в зависимости от плотности тока на электродах 4, 5 ячейки 1. По формулам (1-4) были рассчитаны аналогичные значения напряжения V и удельной мощности W токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу (пунктирные линии).

Как видно из графика (фиг.3), при работе ячейки 1 генератора в режиме максимальной удельной мощности, составляющей W_ген=0,108 Вт/см² (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу W_прот.=0,05 Вт/см²) напряжение на клеммах 9 ячейки 1 будет равно V_ген.=0,33 В (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу - V_прот.=0,225 В), при плотности тока J_ген.=0,33 А/см² (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, J_прот.=0,225 А/см²).

Удельный расход рабочего тела-йода через электродный блок, включающий электроды 4, 5 и электролит 6, ячейки 1 однозначно задается законом Фарадея:

где g - удельный расход рабочего тела через электродный блок ячейки 1, г/сек;

I_пол. - полный ток, вырабатываемый всей поверхностью электродов 4, 5, S₄=S₅;

S_яч. - площадь электрода 4 или 5, S₄=S₅;

А - атомный вес рабочего тела, йода, г/моль (для йода А=126,91 г/моль ≈ А=127 г/моль).

Примем для расчета удельного расхода:

S_яч.=S_{электрода 4,5}=100 см²

часовой расход рабочего тела будет равен:

суточный расход рабочего тела будет равен:

масса заправки рабочим теплом М_р.т. полости 2 (фиг.1) будет равна:

где n - время в сутках работы электрогенератора.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения электрической энергии позволяет: повысить удельную мощность прямого преобразования тепла солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза в электричество и обеспечить выработку резервного, одноразового, наперед заданного, количества киловатт-часов электроэнергии.