Устройство и способ получения электроэнергии из тепла окружающей среды
Изобретение относится к паросиловым установкам, работающим на легкокипящих рабочих телах по замкнутым циклам с преобразованием тепловой энергии в механическую или электрическую энергию, и может найти применение в области производства электричества. Установка для получения электроэнергии из тепла окружающей среды посредством использования эффекта испарения воды для охлаждения конденсатора, а также металлического фотозонта с максимально развитой поверхностью, впитывающей тепловую энергию из окружающей среды посредством теплопередачи, и тепловых трубок, быстро передающих энергию к испарителю. Изобретение позволяет трансформировать тепло окружающей среды в электрическую или механическую энергию. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к области альтернативной энергетики малых мощностей и может найти применение в энергосберегающих технологиях будущего.
Преимущественно данное изобретение предназначено для преобразования непосредственного тепла окружающей среды, а также рассеянной и прямой солнечной радиации посредством теплопередачи в электроэнергию.
Уже известен атмосферный энергодвигатель Чекункова А.Н. - Карпенко А.Н. по преобразованию теплоты атмосферного воздуха в механическую энергию привода электрических генераторов и любых механических устройств (патент RU № 2132470, 27.06.99). Атмосферный энергодвигатель Чекункова А.Н. - Карпенко А.Н. содержит источник энергии, баллон со сжиженным газом, помещенным в термос, теплообменник-испаритель, распылитель рабочего тела, силовую установку первого контура и конденсатор второго контура, а также запорные вентили.
Недостатком такого устройства является отсутствие эффективной системы охлаждения конденсатора и циркуляционного насоса для впрыска рабочего тела в баллон со сжиженным газом, вследствие чего коэффициент полезного действия такого преобразователя будет минимальным.
Известен способ получения электроэнергии из тепла окружающей среды (см. вышеуказанный патент № 2132470), который состоит в следующем: легкоиспаряющийся сжиженный газ, помещенный в баллон и являющийся рабочим телом, через вентиль поступает в испаритель, корпус которого используется в качестве аккумулятора тепловой энергии, где получает теплоту окружающего воздуха и, расширяясь, превращается в газ с высоким давлением, а затем движется по трубопроводу к распределителю рабочего тела по силовым элементам к силовой установке, где, совершив работу расширения, конденсируется, и далее рабочее тело поступает во второй контур для окончательного превращения из газа в жидкость в конденсаторе второго контура и через вентиль в баллон со сжиженным газом. Второй контур включает в себя конденсатор с вмонтированным в него обратным клапаном и запорный вентиль. На этом замкнутый рабочий цикл атмосферного энергодвигателя заканчивается, затем многократно повторяясь.
Недостатком такого способа является низкая производительность, вследствие отсутствия эффективной системы охлаждения конденсатора и циркуляционного насоса для впрыска рабочего тела в баллон со сжиженным газом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является аммиачный двигатель атмосферного тепла и способ его работы (патент RU № 2117165, 10.08.98).
Аммиачный двигатель атмосферного тепла состоит из теплового насоса, включающего воздушный компрессор, горячий теплообменник и воздушную турбину, а также аммиачную турбину, выходной патрубок которой связан с конденсатором, выходной патрубок которого связан с входом жидкостного насоса, а входной патрубок турбины связан с выходным патрубком горячего теплообменника теплового насоса.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, обусловленная наличием двух турбин, требующих дополнительного оборудования (компрессора), и потребность большого количества воды.
Способ работы аммиачного двигателя атмосферного тепла заключается в нагревании рабочего тела, парообразовании и совершении работы аммиачной турбиной, а также конденсации аммиачных паров.
Недостатками такого способа являются: потребность большого количества воды для охлаждения конденсатора, а также узкая область применения аммиака в качестве рабочего тела.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение недостатков аналога и прототипа путем синтеза нового устройства и способа получения электроэнергии из тепла окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей устройства и способа в целом.
Другой задачей изобретения является преобразование тепла окружающей среды в электрическую или механическую энергию в соответствии с законами сохранения энергии и массы.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предлагаемое устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды, состоящее из испарителя, поршневого двигателя с валом и клапанным парораспределением, конденсатора, насоса, генератора электрического тока, выполнено в виде накопителя энергии, представляющего собой металлический фотозонт с максимально развитой поверхностью, соединенный тепловыми трубками с корпусом испарителя, выход которого соединен с входом поршневого двигателя, вал которого посредством зубчатой передачи передает вращательный момент валу генератора электрического тока, установленному соосно, причем выход поршневого двигателя соединен с входом конденсатора, внешняя развитая поверхность которого смачивается водой из бака трубчатым водораспределителем с помощью капельно-пленочного оросителя, установленных над конденсатором, а влажная поверхность конденсатора обдувается воздухом с помощью вентилятора, установленного рядом с конденсатором, выход которого связан с входом жидкостного ресивера, расположенного под конденсатором, при этом выход ресивера подключен к входу плунжерного насоса, выход которого соединен трубопроводом-регенератором, внутри которого установлен обратный клапан, с входом испарителя; между испарителем и поршневым двигателем установлен шаровой вентиль; помимо этого шаровой вентиль установлен между поршневым двигателем и конденсатором, между конденсатором и ресивером, между последним и плунжерным насосом, а также между насосом и регенератором.
Испаритель помещен в теплый стеклянный ящик или ящик, изготовленный из прозрачных пластмасс, с наличием крышек; поршневой двигатель с клапанным парораспределением выполнен из легких, прочных композиционных материалов; обратная поверхность фотозонта облицована стеклом или прозрачными пластмассами, с наличием откидных крышек; на испаритель и конденсатор с помощью шаровых вентилей установлены датчики давления и температуры; вода в трубчатый водораспределитель поступает через шаровой вентиль из бака, расположенного над ним; все составляющие устройства могут быть размещены на мобильной платформе и по размерам компактны.
Бак для воды, а также трубчатый водораспределитель изготовлены из металлопластика; корпуса испарителя, конденсатора и регенератора выполнены из меди и алюминия; плунжерный насос изготовлен из композитов.
Поставленная задача обеспечивается также способом получения электроэнергии из тепла окружающей среды, включающим нагревание рабочего тела, парообразование, конденсацию, в котором согласно изобретению в начале цикла в качестве нагревателя объемного двухфазного рабочего тела в испарителе до состояния интенсивного парообразования используют прямую солнечную радиацию или рассеянную (атмосферное излучение), а также непосредственное тепло окружающей среды посредством теплопередачи, в результате чего образуемый насыщенный пар высокого давления направляют в поршневой двигатель для совершения полезной работы на валу последнего, при этом отработанный пар, поступая в конденсатор и соприкасаясь со стенками, переходит в жидкое состояние, отдавая скрытое тепло влаге на внешней поверхности конденсатора, которая, испаряясь, охлаждает поверхность последнего, после чего полученный конденсат избыточным давлением подают насосом из жидкостного ресивера, расположенного под конденсатором, обратно в испаритель через регенератор, где подогревают его теплом окружающей среды, так как температура конденсата ниже температуры окружающей среды, после чего цикл снова повторяют.
Выполнение устройства в виде металлического фотозонта с развитой поверхностью обеспечивает максимальный теплоприток к рабочему телу в испарителе посредством тепловых трубок.
Размещение испарителя в теплом стеклянном ящике или ящике, выполненном из прозрачных пластмасс, позволяет удерживать тепло, излучаемое нагретой поверхностью испарителя, что повышает КПД устройства.
Благодаря тому, что испаритель соединен с входом поршневого двигателя, тепловая энергия рабочего тела или энтальпия переходит в механическую работу на валу. Так как вал посредством зубчатой передачи передает вращательный момент валу генератора электрического тока, установленному соосно, механическая энергия переходит в электрическую.
Соединение выхода поршневого двигателя с входом конденсатора обеспечивает отвод отработанного пара в приемную камеру конденсатора.
Так как внешняя, развитая поверхность конденсатора смачивается водой из бака трубчатым водораспределителем, установленного над конденсатором, отработавший пар, контактируя со стенками последнего переходит в жидкое состояние, конденсируясь, и приобретает температуру ниже температуры окружающей среды по сухому термометру.
Для сбора воды, не успевшей испариться, предусмотрен поддон.
Благодаря ресиверу исключается наличие паровых «подушек» при работе плунжерного насоса, подающего конденсат в регенератор, что повышает производительность устройства в целом. Наличие регенератора обусловлено принципом работы устройства, согласно которому, в регенераторе посредством теплопередачи происходит поглощение тепла окружающей среды рабочим телом. Обратный клапан, установленный перед испарителем, исключает возможность проникновения свежего пара из испарителя в регенератор.
Для удобства монтажа и сборки устройство снабжено отсечной арматурой в виде шаровых вентилей, установленных между испарителем и поршневым двигателем, между поршневым двигателем и конденсатором, между конденсатором и ресивером, между последним и плунжерным насосом, а также между насосом и регенератором.
Выполнение поршневого двигателя из легких, прочных композиционных материалов в значительной степени облегчает свежему пару задачу по перемещению поршня.
Изготовление плунжерного насоса из композитов увеличивает КПД устройства.
Обратная поверхность фотозонта облицована стеклом или прозрачными пластмассами для удержания тепла, излучаемого нагретой поверхностью фотозонта, что повышает КПД устройства.
Датчики давления и температуры, установленные на испарителе и конденсаторе, позволяют отслеживать термодинамические параметры при плавном выходе устройства на режим, а также при стабильной работе.
Для интенсификации процесса охлаждения наружной поверхности конденсатора последний обдувается воздухом с помощью вентилятора, установленного рядом с конденсатором.
Капельно-пленочный ороситель замедляет падение капель воды из трубчатого водораспределителя на поверхность конденсатора, увеличивая площадь орошения и поверхность соприкосновения между водой и воздухом, а также время нахождения капель в воздухе, тем самым создавая благоприятные условия ускорения процесса охлаждения конденсатора.
Запас воды для орошения конденсатора хранится в баке, расположенном над ним, что обеспечивает поступление воды в трубчатый водораспределитель под действием силы тяжести.
Бак и трубчатый водораспределитель выполнены из металлопластика для увеличения срока службы и уменьшения массы устройства.
Испаритель, конденсатор и регенератор изготавливаются из меди и алюминия с целью уменьшения времени выхода устройства на режим и стабилизации всех процессов при работе, так как коэффициенты теплопроводности меди и алюминия влияют на КПД устройства.
Для закрепления и фиксации всех составляющих устройства в пространстве используется мобильная платформа, а сами составляющие компактны.
Так как способ получения электроэнергии из тепла окружающей среды и работы устройства осуществляется круглосуточно, в начале цикла в качестве нагревателя объемного легкокипящего двухфазного рабочего тела в испарителе до состояния интенсивного парообразования используют прямую солнечную радиацию при ясной погоде, или атмосферное излучение при пасмурной, а ночью - непосредственное тепло окружающей среды посредством теплопередачи.
Суть изобретения заключается в том, что предлагаемое устройство работает как днем, так и ночью, когда прямая солнечная радиация отсутствует. Испарение воды на поверхности конденсатора может продолжаться круглые сутки независимо от положения солнца. Даже если температура испарителя равна температуре окружающей среды, перепад температур между испарителем и конденсатором будет всегда, благодаря эффекту испарения воды с поверхности последнего.
Корпус испарителя сухой, следовательно его температура с физической точки зрения измеряется по сухому термометру. Корпус же конденсатора постоянно мокрый, а значит и его температура измеряется по влажному термометру, показания которого всегда ниже, чем у сухого из-за эффекта испарения воды. Таким образом, наличие разности температур между испарителем и конденсатором при полном отсутствии солнца, согласно теореме Карно доказывает функционирование устройства даже ночью. Более того, в зависимости от влажности воздуха окружающей среды разность показаний сухого и влажного термометров может достигать 10°.
На чертеже представлена принципиальная схема устройства, где:
1 - испаритель; 2 - поршневой двигатель; 3 - вал двигателя; 4 - подпружиненный клапан двигателя; 5 - конденсатор; 6 - плунжерный насос; 7 - электрогенератор; 8 - фотозонт металлический; 9 - тепловые трубки (устройства, обладающие высокой теплопередающей способностью); 10 - передача зубчатая; 11 - вал электрогенератора; 12 - бак с водой; 13 - трубчатый водораспределитель; 14 - капельно-пленочный ороситель; 15 -вентилятор с электроприводом; 16 - жидкостный ресивер; 17 - поддон; 18 - регенератор; 19 - клапан обратный; 20, 21, 22, 23, 24 - шаровые вентили; 25 - прозрачный ящик; 26 - крышка; 27 - прозрачная облицовка обратной стороны фотозонта; 28 - откидная крышка; 29,30 - шаровые вентили; 31, 32 - датчики давления и температуры; 33 - шаровой вентиль. Схема на чертеже читается по часовой стрелке.
Устройство для получения электрической энергии из тепла окружающей среды состоит из испарителя 1, который по своей сущности является теплообменным аппаратом, изготовленным из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (медь, алюминий); поршневого двигателя 2, работающего на паре и представляющего собой главный энергетический узел системы; вала 3; подпружиненных клапанов 4 поршневого двигателя, осуществляющих парораспределение при впуске свежего пара в рабочую полость двигателя и выпуске уже отработавшего; конденсатора 5, являющегося теплообменным аппаратом, изготовленного из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (меди, алюминия); плунжерного насоса 6, предназначенного для принудительной циркуляции рабочего тела и впрыска последнего в испаритель; электрогенератора 7, вырабатывающего электроэнергию; металлического фотозонта 8, обладающего сильно развитой поверхностью, необходимой для поглощения тепла из окружающей среды; специальных тепловых трубок 9, передающих тепловую энергию оптимально быстро на заданное расстояние; зубчатой передачи 10; вала электрогенератора 11; бака с водой 12, по уровню расположенного выше конденсатора и выполненного из металлопластика; трубчатого водораспределителя 13, выполненного из металлопластика; капельно-пленочного оросителя 14, предназначенного для увеличения площади поверхности контакта при соприкосновении воды и воздуха, и, следовательно, для ускорения процесса охлаждения конденсатора; вентилятора 15, обдувающего конденсатор и ускоряющего процесс испарения воды с поверхности последнего; ресивера 16, предназначенного для сбора конденсата; поддона 17, необходимого для сбора капель воды, не успевших испариться на поверхности конденсатора; регенератора 18, являющегося теплообменником и восстанавливающего температуру рабочего тела после охлаждения в конденсаторе; обратного клапана 19, установленного перед испарителем и исключающего возможность проникновения свежего пара из испарителя в регенератор; шаровых вентилей 20, 21, 22, 23, 24, позволяющих удобно осуществлять сборку устройства при монтаже, а также включать и выключать установку; теплого ящика 25 либо выполненного из стекла для экранирования теплового излучения нагретой поверхностью испарителя, либо изготовленного из прозрачных пластмасс, с наличием крышек 26 для доступа к испарителю; облицовки обратной стороны фотозонта 27, играющей роль экрана для теплового излучения разогретого фотозонта с наличием откидных крышек 28 для доступа к последнему и естественной вентиляции воздушной прослойки между обратной поверхностью фотозонта и облицовкой; шаровых вентилей 29, 30, необходимых для установки датчиков давления и температуры на испаритель и конденсатор, а также в случае их замены на новые; датчиков давления и температуры 31, 32, по сущности являющихся манометрами и термометрами; шарового вентиля 33, необходимого для подачи воды в трубчатый водораспределитель и одновременно выполняющего функцию запорной арматуры на случай прекращения подачи воды.
Устройство работает следующим образом: в начале цикла в качестве нагревателя объемного легкокипящего двухфазного рабочего тела в испарителе 1 до состояния интенсивного парообразования используют прямую солнечную радиацию или атмосферное излучение, а также непосредственное тепло окружающей среды посредством теплопередачи, в результате чего образуемый насыщенный пар высокого давления направляют в поршневой двигатель 2 для совершения полезной работы на валу 3 последнего, при этом отработанный пар, поступая в конденсатор 5 и соприкасаясь с холодными стенками последнего, переходит в жидкое состояние, отдавая скрытое тепло влаге на внешней поверхности конденсатора 5, которая, испаряясь, охлаждает поверхность последнего, после чего полученный конденсат избыточным давлением подают насосом 6 из жидкостного ресивера 16, расположенного под конденсатором 5, обратно в испаритель 1 через регенератор 18, где подогревают его теплом окружающей среды, так как температура конденсата ниже температуры окружающей среды, после чего замкнутый цикл снова повторяют.
В качестве рабочего тела применяется любое легкокипящее вещество с минимальной скрытой удельной теплотой парообразования, например фреон R114 (тетрафтордихлорэтан).
Преимуществом предлагаемого устройства и способа получения электроэнергии из тепла окружающей среды является сохранение работоспособности устройства как днем, так и ночью при условии наличия воды в баке, расположенном над конденсатором.
Использование изобретения обеспечит своевременную окупаемость устройства при его работе на воде.
Как показывают предварительные расчеты, отличием предлагаемого способа от уже известных является потребность в малом количестве воды.
Кроме того, изобретение может найти применение при разработке энергетического устройства по превращению теплоты атмосферного воздуха в механическую энергию привода электрических генераторов и любых механических устройств.
Главным образом, изобретение может быть использовано для зарядки любых аккумуляторов мобильных телефонов, запитки энергосберегающих лампочек малой мощности; помимо этого изобретение позволяет запитывать вентиляторы, насосы, компрессоры малой производительности; кроме того, изобретение способно заряжать аккумуляторные дрели, обеспечивать работу сверлильных инструментов, задвижек малых диаметров с электроприводом, домашних утюгов; изобретение позволяет заряжать автомобильные аккумуляторы, поддерживать работоспособность электронно-цифровых приборов, а именно часов, ПЭВМ (ноутбуков), а также аудиомагнитол.
1. Устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды, состоящее из испарителя, поршневого двигателя с валом и клапанным парораспределением, конденсатора, насоса, генератора электрического тока, отличающееся тем, что оно выполнено в виде накопителя энергии, представляющего собой металлический фотозонт с максимально развитой поверхностью, соединенный тепловыми трубками с корпусом испарителя, выход которого соединен с входом поршневого двигателя, вал которого посредством зубчатой передачи передает вращательный момент валу генератора электрического тока, установленному соосно, причем выход поршневого двигателя соединен с входом конденсатора, внешняя развитая поверхность которого смачивается водой из бака трубчатым водораспределителем с помощью капельно-пленочного оросителя, установленных над конденсатором, а влажная поверхность конденсатора обдувается воздухом с помощью вентилятора, установленного рядом с конденсатором, выход которого связан с входом жидкостного ресивера, расположенного под конденсатором, снабженным поддоном, при этом выход ресивера подключен к входу плунжерного насоса, выход которого соединен трубопроводом-регенератором, внутри которого установлен обратный клапан, с входом испарителя; между испарителем и поршневым двигателем установлен шаровой вентиль; кроме того, шаровой вентиль установлен между поршневым двигателем и конденсатором, между конденсатором и ресивером, между последним и плунжерным насосом, а также между насосом и регенератором.
2. Устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды по п.1, отличающееся тем, что испаритель помещен в теплый ящик, изготовленный из стекла или прозрачных пластмасс, с наличием крышек; поршневой двигатель с клапанным парораспределением выполнен из легких, прочных композиционных материалов; обратная поверхность фотозонта облицована стеклом или прозрачными пластмассами с наличием откидных крышек; на испаритель и конденсатор с помощью шаровых вентилей установлены датчики давления и температуры; вода в трубчатый водораспределитель поступает через шаровой вентиль из бака, расположенного над ним; все составляющие устройства могут быть размещены на мобильной платформе и по размерам компактны.
3. Устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды по п.1 или 2, отличающееся тем, что бак для воды, а также трубчатый водораспределитель изготовлены из металлопластика; корпуса испарителя, конденсатора и регенератора выполнены из меди и алюминия; плунжерный насос изготовлен из композитов.
4. Способ получения электроэнергии из тепла окружающей среды, включающий нагревание рабочего тела, парообразование, конденсацию, отличающийся тем, что в начале термодинамического цикла в качестве нагревателя объемного легкокипящего двухфазного рабочего тела в испарителе до состояния интенсивного парообразования используют прямую солнечную радиацию или атмосферное излучение, а также непосредственное тепло окружающей среды посредством теплопередачи, в результате чего образуемый насыщенный пар высокого давления направляют в поршневой двигатель для совершения полезной работы на валу последнего, при этом отработанный пар, поступая в конденсатор и переходя в жидкое состояние, отдает свое тепло влаге на внешней поверхности конденсатора, которая испаряясь, охлаждает поверхность последнего, после чего полученный конденсат избыточным давлением подают насосом из жидкостного ресивера, расположенного под конденсатором, обратно в испаритель через регенератор, где подогревают его теплом окружающей среды, и цикл снова повторяют.
