Микрокамерная система сгорания для производства электрической энергии

Система для производства электрической энергии содержит матрицу одного или большего количества модулей преобразования, соединенных последовательно или параллельно, каждый из которых содержит: камеру сгорания, инжекционное устройство, соединенное с камерой сгорания посредством инжекционной трубки, контроллер частоты инжекции, средство подачи субстанции, поддерживающей горение, в камере сгорания, средство удаления газообразных продуктов сгорания, средство избирательного испускания излучения на внешнюю поверхность камеры сгорания, средство преобразования энергии излучения в электрическую энергию, средство зажигания реакции горения, при этом камера сгорания заключена в камеру преобразования, внутри которой поддерживаются условия субатмосферного давления так, чтобы существенная часть тепла, вырабатываемого реакцией горения преобразовывалась в электромагнитное излучение. Изобретение обеспечивает высокую эффективность преобразовантя тепловой энергии в электрическую. 36 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к микрокамерной системе сгорания для производства электрической энергии.

Настоящее изобретение основано на физическом принципе, посредством которого тепловая энергия, полученная при горении, трансформируется в электромагнитную энергию, которая в свою очередь преобразуется в электрическую энергию, например, посредством фотоэлектрических элементов, выполненных из полупроводникового материала.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение микрокамерной системы сгорания для производства электрической энергии с высокой эффективностью преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.

Согласно настоящему изобретению решение этой задачи достигается посредством переносной системы для производства электрической энергии, содержащей матрицу одного или большего количества модулей преобразования, функционирующих последовательно или параллельно, каждый из которых содержит: камеру сгорания, выполненную из материала, выдерживающего высокие температуры, инжекционное устройство, соединенное с камерой сгорания посредством инжекционной трубки, контроллер частоты инжекции и, следовательно, создаваемой мощности, средство подачи субстанции, поддерживающей горение, в камеру сгорания, средство удаления газообразных продуктов сгорания, средство избирательного испускания излучения на внешнюю поверхность камеры сгорания, средство преобразования энергии излучения в электрическую энергию, средство зажигания реакции горения, при этом камера сгорания заключена в камеру преобразования, внутри которой поддерживаются условия субатмосферного давления так, чтобы существенная часть тепла, вырабатываемого реакцией горения, преобразовывалась в электромагнитное излучение.

Камера сгорания имеет, по существу, сферическую форму, а камера преобразования имеет форму полуэллипсоида, с камерой сгорания, позиционированной в соответствии с первым фокусом эллипсоида.

Средство преобразования позиционировано на плоской поверхности, перпендикулярной большей оси эллипсоида и проходящей через центр самого эллипсоида.

Средство преобразования энергии излучения в электрическую энергию содержит множество фотоэлектрических элементов.

Средство избирательного испускания излучения имеет узкую полосу испускания с пиком, соответствующим длине волны, на которой средство преобразования имеет максимальную эффективность преобразования.

Средство избирательного испускания излучения имеет облицовку, наложенную на внешнюю поверхность камеры сгорания, при этом облицовка состоит из материала, выбранного из группы, содержащей: микроструктурный металл, металлический или диэлектрический световой кристалл, окись или смесь окисей редкоземельных элементов.

Внешняя поверхность камеры сгорания имеет такую площадь полной поверхности, что энергия излучения, испускаемая средством испускания, равна сумме полной тепловой энергии, вырабатываемой реакцией горения в установившемся состоянии, и части энергии излучения, которая отражается внутренними стенками камеры преобразования или средством преобразования и повторно поглощается камерой сгорания.

Камера преобразования имеет оси, размеры которых находятся в диапазоне между 3 и 50 диаметрами камеры сгорания.

Предпочтительно инжекционное устройство является насадкой струйного типа или насадкой струйного «пузырькового» типа или пьезоэлектрической насадкой. Инжекционное устройство может состоять из миниатюрной горелки Бунзена.

Камера сгорания выполнена из материала с высокой теплопроводностью и может выдерживать высокие температуры. Часть внутренней поверхности камеры сгорания покрыта пористым слоем материала с низкой теплопроводностью и может выдерживать высокие температуры. При этом поры пористого слоя покрыты катализатором, служащим для снижения температуры активизации реакции горения и ограничения создания вредных продуктов сгорания.

Камера сгорания может быть выполнена из металлического материала, состоящего из вольфрама или молибдена.

Инжекционная трубка и средство подачи субстанции, поддерживающей горение, и средство удаления газообразных продуктов сгорания могут быть выполнены из материала с низкой теплопроводностью.

Средство удаления газообразных продуктов сгорания выполнено в виде выпускной трубки, крайний сегмент которой выполнен из материала с высокой теплопроводностью для обеспечения возможности отдачи продуктами сгорания остаточного тепла перед выходом из камеры преобразования. При этом выпускная трубка изнутри может быть покрыта материалом, который нейтрализует вредные продукты реакции горения. Выпускная трубка может иметь сочлененную часть для полезного охлаждения отработанного газа.

Предпочтительно инжекционная трубка и средство подачи субстанции, поддерживающей горение, заканчиваются в камере сгорания независимо. Причем средство подачи субстанции, поддерживающей горение, может заканчиваться в инжекционной трубке до входа в камеру сгорания. Инжекционная трубка может иметь сочлененную часть для предотвращения возврата продуктов сгорания в средство подачи.

Камера преобразования может быть размещена внутри структуры, выполненной из оптически отполированного металлического материала или из пластика или керамического материала, и покрыта слоем материала с высокой отражательной способностью. Внутри камеры преобразования может быть вакуум или содержаться инертный газ при субатмосферном давлении.

Камера преобразования может состоять из оптически отполированного металлического материала или из оптически отполированного керамического материала.

Предпочтительно внутренняя стенка камеры преобразования покрыта слоем, имеющим высокую отражательную способность по всему спектру излучения, испускаемого средством испускания.

Поверхность фотоэлектрических элементов, обращенная внутрь камеры преобразования, может быть покрыта оптической облицовкой, функционирующей на длинных длинах волн электромагнитного излучения, как полосно-пропускающий фильтр с пиком пропускаемости, соответствующим длине волны, на которой фотоэлектрические элементы имеют максимальную эффективность преобразования. При этом фотоэлектрические элементы могут быть основаны на барьерах Шотки, которые могут быть выполнены из диоксида кремния и алюминия.

Оптическая облицовка может быть выполнена из материала, выбранного из группы, содержащей: многослойную диэлектрическую облицовку, металлическую облицовку в перколяционном состоянии, металлический световой кристалл, противоотражательную микроструктуру.

Предпочтительно газообразное топливо, инжектируемое инжекционным устройством, выбирается из группы, содержащей: метан, пропан, бутан, водород, природный газ.

Предпочтительно средство зажигания является электрическим и горение активизируется электрическим разрядом, через искру или нить накала.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно, согласно приложенным чертежам, приведенным исключительно в качестве не ограничивающего варианта осуществления изобретения.

На фиг.1 изображен схематический перспективный вид микрокамерной системы согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 изображен перспективный вид устройства преобразования, указанного стрелкой II на фиг.1.

Согласно фиг.1, ссылочной позицией 10 схематично обозначена микрокамерная система сгорания для производства электрической энергии. Система 10 содержит множество устройств 11 преобразования, электрически соединенных между собой, последовательно или параллельно, каждое из которых выполнено так, как описано здесь ниже. Система 10 содержит трубопровод трубок 12 для подачи горючего и поддерживающее горение средство в отдельных устройствах 11 преобразования, трубопровод 13 трубок для удаления газообразных продуктов сгорания из устройств 11 преобразования и сеть электрических соединений для регулирования создаваемой мощности, для электрического зажигания камер сгорания и для передачи тока из камеры сгорания на сопротивление нагрузки.

Согласно фиг.2, каждое устройство 11 преобразования содержит камеру 14 сгорания, выполненную из материала, который может выдерживать высокую температуру. Предпочтительно камера сгорания имеет сферическую форму и выполнена из такого материала, чтобы выдерживать температуры порядка 1500-2000K.

Камера сгорания, предпочтительно, снабжена средством 26 для избирательного испускания электромагнитного излучения, предпочтительно выполненного в виде облицовки, наложенной на внешнюю поверхность камеры 14 сгорания. Предпочтительно камера сгорания состоит из материала с высокой теплопроводностью (например, вольфрама или молибдена) для обеспечения теплом, создаваемым при горении, внешней поверхности облицовки. По меньшей мере часть внутренней поверхности камеры 14 сгорания, предпочтительно, покрыта материалом с низкой теплопроводностью мезо-пористого или нано-пористого типа с пористой структурой, покрытой катализаторами, имеющими функцию понижения температуры активизации зажигания и снижения выделений загрязняющих продуктов реакции (например, окисей азота). Материал с низкой теплопроводностью может чередоваться с материалом с высокой теплопроводностью в виде композита.

Предпочтительно облицовка имеет избирательную излучательную способность в полосе пропускания длины волны в несколько сотен миллимикрон. Например, облицовка может состоять из микроструктуры, полученной непосредственно на внешней поверхности камеры сгорания, или тонкого слоя окиси, имеющего высоко избирательное спектральное излучение (окиси иттрия, тория, церия, европия, эрбия, тербия, иттербия или другого редкоземельного элемента).

Камера 14 сгорания связана с инжекционной трубкой 15, со средством 17 подачи субстанции, поддерживающей горение, в виде трубки, поддерживающей горение, и с трубкой 18 для выпуска газообразных продуктов реакции. Трубка 15, предпочтительно, имеет цилиндрическую форму с конусообразным концевым сегментом вблизи микроинжекционной системы 16 с секцией, выступающей наружу; конусообразный концевой сегмент обеспечивает удаление субстанции, поддерживающей горение, посредством эффекта Вентури. Трубки 15, 18, предпочтительно, состоят из керамического материала или другого материала с низкой теплопроводностью для предотвращения распространения тепла камеры сгорания наружу при переносе тепла. Предпочтительно крайняя часть выпускной трубки 18 является металлической для обеспечения возможности отдачи отработанными газами своего остаточного тепла перед выходом из камеры преобразования. Канал 15 может иметь сочлененную форму, например спиралеобразную или катушечнообразную, для предотвращения возврата продуктов сгорания в микроинжектор. Аналогично выпускная трубка 18 может иметь сочлененную форму для предпочтительного охлаждения продуктов горения. Предпочтительно трубка, поддерживающая горение, подсоединена к инжекционной трубке 15; в виде варианта она может быть подсоединена непосредственно к камере сгорания. Трубка, поддерживающая горение, может быть исключена, если в инжекционную трубку 15 инжектируется смесь горючего, предварительно смешанного с жидкой или газообразной субстанцией, поддерживающей горение. Камера 14 сгорания является замкнутой и не обменивается газообразными продуктами с внешней частью, кроме как через трубку 15, средство 17 подачи субстанции и трубку 18.

Каждое устройство 11 преобразования обеспечено микроинжекционным устройством 16, предпочтительно состоящим из струйного инжектора «пузырькового» типа или пьезоэлектрического типа, выполненного с возможностью инжекции капель смеси горючего или субстанции, поддерживающей горение, объемом в несколько пиколитров и частотой, которая может управляться посредством контроллера (30) от нескольких kHz до сотен kHz. В виде варианта, если используется газообразное горючее, то инжекционная система может состоять из миниатюрной горелки Бунзена. Горючее, инжектированное инжекционной системой 16, проникает внутрь камеры 14 сгорания через инжекционную трубку 15. Предпочтительно газообразное горючее, инжектируемое инжекционным устройством 16, выбирается из группы, содержащей: метан, пропан, бутан, водород, природный газ или другое горючее, включающее возможность добавления металлических частиц к горючему.

Каждое устройство 11 преобразования содержит пустотелую структуру 19, формирующую герметичную камеру 20 преобразования, внутри которой получается вакуум или содержится инертный газ при низком давлении. Камера 14 сгорания размещена внутри камеры 20 преобразования, и трубки 15, 18 проходят через стенки пустотелой структуры 19. Стенки пустотелой структуры 19, определяющие камеру 20 преобразования, могут быть выполнены из металла, если в пустотелой структуре 19 получается вакуум, или из керамического материала, покрытого слоем с высокой отражательной способностью во всех остальных случаях.

Пустотелая структура 19 содержит эллипсообразную стенку 21 и плоскую стенку 22, следовательно, камера 20 преобразования имеет форму вращающегося полуэллипсоида с полуосями А и В. Размеры осей камеры 20 преобразования могут варьироваться от минимально 3 до 50 диаметров камеры 14 сгорания. Предпочтительно камера 14 сгорания позиционирована в первом фокусе эллипсообразной поверхности. Внутренняя поверхность эллипсообразной стенки 21, предпочтительно, снабжена облицовкой 23, имеющей высокую отражательную способность по всему спектру испускания источника излучения.

Плоская стенка 22 пустотелой структуры 19 поддерживает средство преобразования электромагнитной энергии в электрическую энергию, схематически обозначенное ссылочной позицией 24. Средство преобразования, предпочтительно, состоит из фотоэлектрических элементов, выполненных из полупроводникового материала, предпочтительно, с полосным зазором порядка 0,5-0,8 eV для максимизации эффективности преобразования излучением Планка с температурой цвета 1500-2000K. В предпочтительном варианте осуществления фотоэлектрический элемент является типом Шотки, и активный переход состоит из диоксида кремния и алюминия. В случае избирательной электромагнитной энергии материал фотоэлектрических элементов, составляющих средство преобразования 24, выбирается так, чтобы энергия полосного зазора была немного больше энергии фотонов, соответствующей длине волны максимального испускания для максимизации эффективности преобразования на этой длине волны.

Предпочтительно наружная поверхность средства 24 преобразования покрыта отражающим металлическим слоем. Внутренняя стенка средства 24 преобразования может быть покрыта слоем, функционирующим при электромагнитном излучении, как полосно-пропускающий фильтр. Этот слой может быть многослойным диэлектрическим покрытием, металлическим покрытием в перколяционном состоянии, противоотражательной микроструктурой (например, сеткой с интервалом суб-длины волны) или световым кристаллом.

Средство 24 преобразования позиционировано в соответствии с плоскостью, перпендикулярной большей оси эллипсоида и проходящей через центр эллипсоида так, что излучение, испускаемое камерой 4 сгорания, достигает фотоэлектрических элементов равномерно. Кроме того, также посредством выбранной геометрии, излучение, не поглощенное средством 24 преобразования, отражается отражающей задней гранью или передней поверхностью фотоэлектрических элементов и падает обратно на камеру 14 сгорания, где оно поглощается.

Определенная геометрия камеры 20 преобразования вызывает излучение, испускаемое камерой сгорания и отражаемое фотоэлектрическими элементами, и излучение, испускаемое камерой 14 сгорания и отражаемое внутренними стенками полуэллипсоида. Это обеспечивает максимальную рециркуляцию электромагнитной энергии внутри камеры преобразования и, следовательно, минимизацию расхода горючего и максимизацию общей эффективности преобразования. Излучение, отражаемое внутренней поверхностью полуэллипсоида или фотоэлектрическими элементами, повторно поглощается облицовкой с той же эффективностью, с которой оно испускается.

Тепло, вырабатываемое при реакции субстанции, поддерживающей горючее, нагревает поверхности камеры сгорания и полностью преобразуется в электромагнитное излучение. Размер трубок 15, 18, проходящих внутри камеры 20 преобразования, является таким, чтобы минимизировать передачу тепловой энергии при передаче тепла между камерой 14 сгорания и пустотелой структурой 19. Излучение, испускаемое внутри камеры 20 преобразования, воздействует на средство 24 преобразования, которое преобразует электромагнитное излучение в электрическую энергию. Электрическая мощность, создаваемая каждым из устройств 11 преобразования, может варьироваться от нескольких ватт до нескольких десятков ватт. Каждое устройство обеспечено электрическими контактами (здесь не изображены), которые собирают электрическую энергию, создаваемую полупроводниковыми элементами.

Поддерживание условия вакуума или субатмосферного давления внутри камеры 20 сгорания, позволяет уменьшить количество тепловой энергии, рассеиваемой при конвекции. Следовательно, почти все тепло, вырабатываемое при реакции горения, преобразуется в электромагнитное излучение, которое в свою очередь преобразуется средством 24 преобразования в электрическую энергию. Для получения условий вакуума или низкого давления внутри камеры 20 преобразования могут использоваться различные известные способы для установки элементов в вакууме.

1. Переносная система для производства электрической энергии, содержащая матрицу одного или большего количества модулей (11) преобразования, функционирующих последовательно или параллельно, каждый из которых содержит

камеру (14) сгорания, выполненную из материала, выдерживающего высокие температуры,

инжекционное устройство (16), соединенное с камерой (14) сгорания посредством инжекционной трубки (15),

контроллер (30) частоты инжекции и следовательно, создаваемой мощности,

средство (17) подачи субстанции, поддерживающей горение, в камеру (14) сгорания,

средство (18) удаления газообразных продуктов сгорания,

средство (26) избирательного испускания излучения на внешнюю поверхность камеры (14) сгорания,

средство (24) преобразования энергии излучения в электрическую энергию,

средство зажигания реакции горения,

отличающаяся тем, что камера (14) сгорания заключена в камеру (20) преобразования, внутри которой поддерживаются условия субатмосферного давления так, чтобы существенная часть тепла, вырабатываемого реакцией горения преобразовывалась в электромагнитное излучение.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что камера (14) сгорания имеет, по существу, сферическую форму, а камера (20) преобразования имеет форму полуэллипсоида, с камерой (14) сгорания, позиционированной в соответствии с первым фокусом эллипсоида.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что средство (24) преобразования позиционировано на плоской поверхности, перпендикулярной большей оси эллипсоида и проходящей через центр самого эллипсоида.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство (24) преобразования энергии излучения в электрическую энергию содержит множество фотоэлектрических элементов.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство избирательного испускания излучения имеет узкую полосу испускания с пиком, соответствующим длине волны, на которой средство (24) преобразования имеет максимальную эффективность преобразования.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство (26) избирательного испускания излучения имеет облицовку, наложенную на внешнюю поверхность камеры (14) сгорания, при этом облицовка состоит из материала, выбранного из группы, содержащей микроструктурный металл, металлический или диэлектрический световой кристалл, окись или смесь окисей редкоземельных элементов.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что внешняя поверхность камеры (14) сгорания имеет такую площадь полной поверхности, что энергия излучения, испускаемая средством (26) испускания, равна сумме полной тепловой энергии, вырабатываемой реакцией горения в установившемся состоянии, и части энергии излучения, которая отражается внутренними стенками камеры преобразования или средством (24) преобразования и повторно поглощается камерой (14) сгорания.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что камера (20) преобразования имеет оси, размеры которых находятся в диапазоне между 3 и 50 диаметрами камеры сгорания.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что инжекционное устройство (16) является насадкой струйного типа.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что инжекционная насадка является насадкой струйного «пузырькового» типа.

11. Система по п.9, отличающаяся тем, что инжекционная насадка является пьезоэлектрической.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что камера (14) сгорания выполнена из материала с высокой теплопроводностью и может выдерживать высокие температуры.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что часть внутренней поверхности камеры (14) сгорания покрыта пористым слоем материала с низкой теплопроводностью и может выдерживать высокие температуры.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что поры пористого слоя покрыты катализатором, служащим для снижения температуры активизации реакции горения и ограничения создания вредных продуктов сгорания.

15. Система по п.12, отличающаяся тем, что камера (14) сгорания выполнена из металлического материала.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что металлический материал состоит из вольфрама или молибдена.

17. Система по п.1, отличающаяся тем, что инжекционная трубка (15) и средство (17) подачи субстанции, поддерживающей горение, и средство (18) удаления газообразных продуктов сгорания выполнены из материала с низкой теплопроводностью.

18. Система по п.1, отличающаяся тем, средство (18) удаления газообразных продуктов сгорания выполнено в виде выпускной трубки, крайний сегмент которой выполнен из материала с высокой теплопроводностью для обеспечения возможности отдачи продуктами сгорания остаточного тепла перед выходом из камеры преобразования.

19. Система по п.1, отличающаяся тем, что инжекционная трубка (15) и средство (17) подачи субстанции, поддерживающей горение, заканчиваются в камере (14) сгорания независимо.

20. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство (17) подачи субстанции, поддерживающей горение, заканчивается в инжекционной трубке (15) до входа в камеру (14) сгорания.

21. Система по п.1, отличающаяся тем, что камера (20) преобразования размещена внутри структуры (19), выполненной из оптически отполированного металлического материала.

22. Система по п.1, отличающаяся тем, что камера (20) преобразования размещена внутри структуры (19), выполненной из пластика или керамического материала, и покрыта слоем (23) материала с высокой отражательной способностью.

23. Система по п.4, отличающаяся тем, что поверхность фотоэлектрических элементов, обращенная внутрь камеры (20) преобразования, покрыта оптической облицовкой, функционирующей на длинных длинах волн электромагнитного излучения, как полосно-пропускающий фильтр с пиком пропускаемости, соответствующим длине волны, на которой фотоэлектрические элементы имеют максимальную эффективность преобразования.

24. Система по п.4, отличающаяся тем, что фотоэлектрические элементы основаны на барьерах Шотки.

25. Система по п.24, отличающаяся тем, что барьеры Шотки выполнены из диоксида кремния и алюминия.

26. Система по п.23, отличающаяся тем, что оптическая облицовка выполнена из материала, выбранного из группы, содержащей многослойную диэлектрическую облицовку, металлическую облицовку в перколяционном состоянии, металлический световой кристалл, противоотражательную микроструктуру.

27. Система по п.1, отличающаяся тем, что инжекционное устройство (16) состоит из миниатюрной горелки Бунзена.

28. Система по п.17, отличающаяся тем, что газообразное топливо, инжектируемое инжекционным устройством (16), выбрано из группы, содержащей метан, пропан, бутан, водород, природный газ.

29. Система по п.18, отличающаяся тем, что выпускная трубка (18) изнутри покрыта материалом, который нейтрализует вредные продукты реакции горения.

30. Система по п.18, отличающаяся тем, что выпускная трубка (18) имеет сочлененную часть для полезного охлаждения отработанного газа.

31. Система по п.1, отличающаяся тем, что инжекционная трубка (15) имеет сочлененную часть для предотвращения возврата продуктов сгорания в средство инжекции.

32. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство зажигания является электрическим и горение активизируется электрическим разрядом, через искру или нить накала.

33. Система по п.1, отличающаяся тем, что внутри камеры (20) преобразования получается вакуум.

34. Система по п.1, отличающаяся тем, что внутри камеры (20) преобразования содержится инертный газ при субатмосферном давлении.

35. Система по п.33, отличающаяся тем, что камера преобразования состоит из оптически отполированного металлического материала.

36. Система по п.33 или 34, отличающаяся тем, что камера преобразования состоит из оптически отполированного керамического материала.

37. Система по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя стенка камеры преобразования покрыта слоем, имеющим высокую отражательную способность по всему спектру излучения, испускаемого средством (26) испускания.