Способ преобразования тепловой энергии в электрическую и устройство для его осуществления

Изобретение относится к теплоэнергетике и позволяет использовать тепловую энергию для получения электрической энергии путем модуляции теплового потока. Способ предусматривает предварительную зарядку сегнетоэлектрического конденсатора, помещенного в колебательный контур с параметрическим усилением, от внешнего источника напряжения и последующие повторяющиеся нагревание сегнетоэлектрического конденсатора, приращение электрической энергии, запасенной в сегнетоэлектрическом конденсаторе за счет тепловой энергии, отвод приращенной электрической энергии из колебательного контура и охлаждение сегнетоэлектрического конденсатора. Нагревание и охлаждение сегнетоэлектрического конденсатора производят модулированием потока тепловой энергии при помощи жидкокристаллического модулятора. Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую состоит из сегнетоэлектрического конденсатора, помещенного в колебательный контур с параметрическим усилением, соединенного с ним жидкокристаллического модулятора и подключенной к сегнетоэлектрическому конденсатору нагрузки. Изобретение обеспечивает повышение эффективности преобразования за счет увеличения емкости конденсатора. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и позволяет преобразовывать тепловую энергию в электрическую при помощи сегнетоэлектрического конденсатора.

Известно устройство по патенту США US 4151409, которое может генерировать электрическую энергию за счет изменений емкости сегнетоэлектрических конденсаторов, которые соединены друг с другом параллельно. Изменение емкости достигается за счет изменений температуры конденсаторов под действием светового или теплового потока. Недостатками является низкая эффективность и слишком большие значения емкостей, необходимых для данного устройства.

В патенте США US 4220906 описано устройство для генерации электричества, представляющее собой объединенные в каскады конденсаторы. Емкость конденсаторов меняется под воздействием теплового потока, модулируемого с помощью металлических пластин.

В патенте США US 4441067 описано устройство для генерации электричества, в котором автор предлагает использовать два сегнетоэлектрических конденсатора с различной диэлектрической нелинейностью. Емкость конденсаторов меняется под воздействием теплового потока, представляющего собой воздушный поток, модулируемый с помощью механической системы переключения между двумя трубами.

Недостатками являются сложность в изготовлении, большие геометрические размеры устройства и ненадежность механической модуляции теплового потока.

Наиболее близкий аналог (прототип) описан в патенте США US 4647836. Способ преобразования энергии, состоящий из шагов зарядки конденсатора, имеющего зависимость емкости от температуры, от источника напряжения, нагрев конденсатора, разрядка конденсатора во внешнюю цепь. Для этого предварительно заряженный сегнетоэлектрический конденсатор, помещенный в колебательный контур, выполнен в виде вращающейся пластины, на которую направлен модулируемый тепловой поток. Однако модуляция, обеспечиваемая за счет вращения, и преобразование энергии в данном решении производятся неэффективно, конденсатору требуется периодическая подзарядка от внешнего источника.

Целью данного изобретения является создание способа и устройства преобразования тепловой энергии в электрическую, в которых управление модуляцией осуществляется электрически без использования перемещающихся частей, устройства с относительно небольшими геометрическими размерами, которому не требуется периодическая подзарядка конденсатора из внешнего источника.

Для этого способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с использованием сегнетоэлектрического конденсатора, помещенного в колебательный контур с параметрическим усилением, предусматривает предварительную зарядку сегнетоэлектрического конденсатора от внешнего источника напряжения и последующие повторяющиеся нагревание сегнетоэлектрического конденсатора, приращение электрической энергии, запасенной в сегнетоэлектрическом конденсаторе за счет тепловой энергии, отвод приращенной электрической энергии из колебательного контура и охлаждение сегнетоэлектрического конденсатора. Нагревание и охлаждение сегнетоэлектрического конденсатора производят модулированием потока тепловой энергии при помощи жидкокристаллического модулятора. В результате повышается эффективность управления преобразованием тепловой энергии в электрическую.

В частном случае, предусмотрен переход электрической энергии из сегнетоэлектрического конденсатора в катушку индуктивности и переход электрической энергии из катушки индуктивности в сегнетоэлектрический конденсатор.

В другом частном случае, отвод приращенной электрической энергии из колебательного контура на нагрузку выполняют через взаимосвязанные катушки индуктивности или трансформатор.

В другом частном случае, преобразование производят при максимальных изменениях величин диэлектрической проницаемости вблизи температуры Кюри.

В другом частном случае при помощи жидкокристаллического модулятора модулируют световой поток.

Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую состоит из сегнетоэлектрического конденсатора, помещенного в колебательный контур с параметрическим усилением, соединенного с ним модулятора и подключенной к сегнетоэлектрическому конденсатору нагрузки и отличается тем, что модулятором является жидкокристаллический модулятор.

В частном случае, нагрузка подключена к сегнетоэлектрическому конденсатору через взаимосвязанные катушки индуктивности или трансформатор с помощью диодного моста.

В другом частном случае, модулятором является жидкокристаллический модулятор отражательного типа.

В другом частном случае, сегнетоэлектрический конденсатор представляет собой многослойную керамическую или многослойную пленочную структуру.

В другом частном случае, сегнетоэлектрический конденсатор изготовлен из нескольких сегнетоэлектриков, отличающихся друг от друга составом применяемых веществ и зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры.

Предлагаемый способ и устройство поясняются чертежами.

Фиг.1 - принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства,

Фиг.2 - разрез сегнетоэлектрического конденсатора с жидкокристаллическим модулятором,

Фиг.3 - зависимость емкости сегнетоэлектрического конденсатора от температуры,

Фиг.4 - зависимость потока тепловой энергии от времени,

Фиг.5 - зависимость температуры сегнетоэлектрического конденсатора от времени,

Фиг.6 - зависимость запасенной в сегнетоэлектрическом конденсаторе электрической энергии от времени,

Фиг.7 - зависимость емкости сегнетоэлектрического конденсатора от температуры изготовленного из нескольких сегнетоэлектриков с различной диэлектрической проницаемостью,

Фиг.8 - разрез жидкокристаллического модулятора отражательного типа,

Фиг.9 - разрез многослойного сегнетоэлектрического конденсатора с жидкокристаллическим модулятором.

На Фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства. Сегнетоэлектрического конденсатор С(Т) с жидкокристаллическим модулятором помещен в колебательный контур с параметрическим усилением, который через взаимосвязанные катушки индуктивности L и диодный мост Д подключен к устройству управления М жидкокристаллическим модулятором и нагрузке R. К сегнетоэлектрическому конденсатору С(Т) подключен источник начального напряжения U.

На Фиг.2 сегнетоэлектрический конденсатор 1 соединен с жидкокристаллическим модулятором 2, состоящим из прозрачных электродов 3, жидких кристаллов 4 и поляризатора 5. Конструкция и принцип работы жидкокристаллического модулятора известны и описаны, в частности, в книге А.А.Васильева, Д.Касасента, И.Н.Компанеца, А.В.Парфенова «Пространственные модуляторы света» (глава 2.4 «Жидкокристаллические модуляторы света», стр.83-112, рис.2.26, М.: Радио и связь, 1987) и в патенте США US 3443098. Зазор 6 обеспечивает теплоизоляцию между жидкокристаллическим модулятором 2 и сегнетоэлектрическим конденсатором 1. Подавая напряжение на прозрачные электроды 3 можно менять направление осей жидких кристаллов 4.

Способ осуществляют, например, следующим образом. Сегнетоэлектрический конденсатор 1 полностью заряжают от источника начального напряжения U и затем отсоединяют источник начального напряжения U от цепи. Непрерывный поток тепловой энергии (например, световой поток) направляют через жидкокристаллический модулятор 2 на сегнетоэлектрический конденсатор 1. Модуляция светового потока для достижения периодического изменения температуры сегнетокерамического конденсатора 1 осуществляется следующим образом. Световой поток проходит через поляризатор 5. Если направление поляризации поляризованного светового потока совпадает с направлением осей жидких кристаллов 4, то световой поток проходит через жидкокристаллический модулятор 2 и нагревает сегнетоэлектрический конденсатор 1. В случае, когда направление поляризации поляризованного светового потока не совпадает с направлением осей жидких кристаллов 4, световой поток поглощается жидкокристаллическим модулятором 2 и сегнетоэлектрический конденсатор 1 охлаждается. При нагревании и охлаждении диэлектрическая постоянная сегнетоэлектрика изменяется (например, уменьшается и увеличивается соответственно), и, следовательно, изменяется емкость сегнетоэлектрического конденсатора 1. Так как заряд на обкладках сегнетоэлектрического конденсатора 1 постоянен, то уменьшение емкости при нагреве ведет к приращению электрической энергии, запасенной в сегнетоэлектрическом конденсаторе 1. Электрическая энергия из сегнетоэлектрического конденсатора 1 переходит в катушку индуктивности. Приращенная электрическая энергия отводится из колебательного контура через взаимосвязанные катушки индуктивности и выпрямитель (диодный мост Д) на нагрузку R и мультивибратор М, который выполняет функцию управления жидкокристаллическим модулятором. Оставшаяся в контуре электрическая энергия переходит обратно в сегнетоэлектрический конденсатор 1 после его охлаждения.

На Фиг.3 представлена кривая зависимости емкости С сегнетоэлектрического конденсатора от температуры Т. Емкость меняется в пределах C₁ и С₂. На Фиг.4 представлена кривая зависимости теплового потока Q от времени t, который приводит к изменению температуры сегнетоэлектрического конденсатора. На Фиг.5 представлена кривая зависимости температуры Т сегнетоэлектрического конденсатора от времени t, изменение температуры Т приводит к изменению емкости С сегнетоэлектрического конденсатора и количества электрической энергии W, запасаемой в нем. На Фиг.6 представлена зависимость количества электрической энергии W, запасаемой и приращенной (обозначено штриховкой) электрической энергии в сегнетоэлектрическом конденсаторе от времени t. В моменты времени t₁, t₃, t₅ вся электрическая энергия находится в катушке, в моменты времени t₂, t₄ вся электрическая энергия находится в конденсаторе.

Для наиболее эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую нагревание и охлаждение сегнетоэлектрического конденсатора 1, помещенного в колебательный контур с параметрическим усилением, производят в моменты его полной зарядки и разрядки, соответственно. В этом случае потери в колебательном контуре с параметрическим усилением минимальны.

Также эффективность преобразования повышается, если оно производится при максимальных изменениях величин диэлектрической проницаемости, например, вблизи температуры Кюри, то есть на участках C₁-С₃, С₃-С₄ или C₁-С₄ кривой на Фиг.3. В этом случае увеличивается частота преобразований и величина приращенной электрической энергии.

На Фиг.7 представлена кривая зависимости емкости С сегнетоэлектрического конденсатора от температуры Т, когда сегнетоэлектрический конденсатор изготовлен из нескольких слоев сегнетоэлектриков, отличающихся друг от друга составом применяемых веществ и зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры. Например, для двух слоев емкость меняется в пределах C₅ и С₆. В этом случае увеличивается частота преобразований и диапазон рабочих температур устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Для модуляции теплового потока можно использовать жидкокристаллический модулятор отражательного типа, разрез которого представлен на Фиг.8. В этом случае, когда направление поляризации поляризованного светового потока не совпадает с направлением осей жидких кристаллов, световой поток отражается жидкокристаллическим модулятором с поляризатором 7 трапециевидной формы и сегнетоэлектрический конденсатор 1 охлаждается. Возможна установка одного жидкокристаллического модулятора для поочередного нагревания и охлаждения двух сегнетоэлектрических конденсаторов 8 и 9.

На Фиг.9 представлен разрез сегнетоэлектрического конденсатора 10, представляющий собой многослойную сегнетокерамическую структуру или многослойную пленочную структуру, обеспечивающую более эффективные преобразования вследствие увеличения емкости конденсатора.

1. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с использованием сегнетоэлектрического конденсатора, помещенного в колебательный контур с параметрическим усилением, предусматривающий предварительную зарядку сегнетоэлектрического конденсатора от внешнего источника напряжения и последующие повторяющиеся нагревание сегнетоэлектрического конденсатора, приращение электрической энергии, запасенной в сегнетоэлектрическом конденсаторе за счет тепловой энергии, отвод приращенной электрической энергии из колебательного контура и охлаждение сегнетоэлектрического конденсатора, причем нагревание и охлаждение сегнетоэлектрического конденсатора производят модулированием потока тепловой энергии при помощи жидкокристаллического модулятора.

2. Способ по п.1, предусматривающий переход электрической энергии из сегнетоэлектрического конденсатора в катушку индуктивности и переход электрической энергии из катушки индуктивности в сегнетоэлектрический конденсатор.

3. Способ по п.1 или 2, в котором отвод приращенной электрической энергии из колебательного контура выполняют через взаимосвязанные катушки индуктивности на нагрузку.

4. Способ по п.1, в котором преобразование производят при максимальных изменениях величин диэлектрической проницаемости.

5. Способ по п.1, в котором при помощи жидкокристаллического модулятора модулируют световой поток.

6. Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую, состоящее из сегнетоэлектрического конденсатора, помещенного в колебательный контур с параметрическим усилением, соединенного с ним модулятора, и подключенной к сегнетоэлектрическому конденсатору нагрузки, отличающееся тем, что модулятором является жидкокристаллический модулятор.

7. Устройство по п.6, в котором нагрузка подключена к сегнетоэлектрическому конденсатору через взаимосвязанные катушки индуктивности.

8. Устройство по п.6, в котором модулятором является жидкокристаллический модулятор отражательного типа.

9. Устройство по п.6, в котором сегнетоэлектрический конденсатор представляет собой многослойную керамическую структуру.

10. Устройство по п.6, в котором сегнетоэлектрический конденсатор представляет собой многослойную пленочную структуру.

11. Устройство по любому из пп.6-10, в котором сегнетоэлектрический конденсатор изготовлен из нескольких сегнетоэлектриков, отличающихся друг от друга составом применяемых веществ и зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры.