Аккумулятор тепловой энергии

Изобретение относится к области энергетики, более конкретно к средствам накопления, хранения и выделения или преобразования тепловой энергии. Аккумулятор тепловой энергии содержит по крайней мере один управляющий элемент и рабочее тело, обеспечивающее накопление тепловой энергии и имеющее возможность выделения тепловой энергии в результате воздействия по крайней мере одного управляющего элемента. При этом согласно изобретению рабочее тело представляет собой аморфные частицы тугоплавкого материала, обеспечивающие накопление тепловой энергии при нахождении в состоянии метастабильной сильно неупорядоченной дефектно-насыщенной конденсированной фазы и выделение тепловой энергии при фазовом переходе из дефектно-насыщенного неупорядоченного конденсированного состояния в состояние кристаллической упорядоченности. В результате заявленный аккумулятор обладает повышенной энергоемкостью в сравнении с аналогами, известными на текущем уровне техники. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, более конкретно к средствам накопления, хранения и выделения или преобразования тепловой энергии.

Известны аккумуляторы тепловой энергии: жидкостные тепловые аккумуляторы, тепловые аккумуляторы с твердым теплоаккумулирующим материалом, аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах [1] [2]. Аккумуляторы тепловой энергии, основанные на фазовых переходах, и содержащие по крайней мере один управляющий элемент и рабочее тело, обеспечивающее накопление тепловой энергии и имеющее возможность выделения тепловой энергии, являются наиболее близкими по технической сущности к заявленному.

Недостатком всех известных из уровня техники аналогов, включая наиболее близкий, является сравнительно невысокая энергоемкость аккумуляторов тепловой энергии

Настоящее изобретение направлено на преодоление трудностей, известных из предшествующего уровня техники и создание нового аккумулятора тепловой энергии, характеризующегося более высокой энергоемкостью.

Указанная задача решается тем, что в аккумуляторе тепловой энергии, содержащем по крайней мере один управляющий элемент и рабочее тело, обеспечивающее накопление тепловой энергии и имеющее возможность выделения тепловой энергии в результате воздействия по крайней мере одного управляющего элемента, согласно изобретению рабочее тело представляет собой аморфные частицы тугоплавкого материала, обеспечивающие накопление тепловой энергии при нахождении в состоянии метастабильной сильно неупорядоченной дефектно-насыщенной конденсированной фазы и выделение тепловой энергии при фазовом переходе из дефектно-насыщенного неупорядоченного конденсированного состояния в состояние кристаллической упорядоченности.

В качестве рабочего тела предпочтительно используют частицы вольфрама, рения, тантала, молибдена, ниобия.

Предпочтительно управляющий элемент выполнен с возможностью активации фазового перехода между дефектно-насыщенным и кристаллоподобным состояниями частиц рабочего тела. Для этих целей в качестве управляющего элемента или в составе управляющего элемента может быть использован электрод, обеспечивающий подачу электрического импульса к рабочему телу для активации фазового перехода частиц дефектно-насыщенного неупорядоченного конденсированного состояния в состояние кристаллической упорядоченности.

Принципиально новым элементом заявленного аккумулятора тепловой энергии является само рабочее тело - частицы тугоплавкого материала (например, металла или оксида), находящиеся в физически особом, квазиустойчивом состоянии с аномально высокой для твердых тел структурной разупорядоченностью как дальнего, так и ближнего порядка. Подобные фазовые состояния могут достигаться, в частности, при восстановлении кристаллических окислов тугоплавких металлов холодной инжекцией сильновозбужденных протонов [3]. Получающиеся в результате частицы восстановленного металла классифицируются как метастабильные дефектно-насыщенные фазовые состояния типа сильно переохлажденной жидкости или глубоко замороженного ″газа″.

Подобные фазовые состояния частиц тугоплавких металлов характеризуются уникальными энергетическими порогами межфазовых переходов, удовлетворяющих одновременно двум противоположным условиям - стабильности дефектно-насыщенной фазы и высокому энерговыделению при преодолении межфазового барьера между дефектно-насыщенной и кристаллической фазами.

Использование аморфных частиц тугоплавких металлов в качестве энергозапасающего материала позволяет достигать значений энергоемкости, кратно превышающих энергоемкость, как существующих тепловых, так и электрических аккумуляторов.

Использование аморфных частиц тугоплавких материалов в качестве энергозапасающего материала допускает для рабочего тела аккумулятора принципиально новые конструктивные решения в виде тонкопрофильных композитных материалов. В свою очередь использование аккумуляторов тепловой энергии с рабочим телом в виде тонкопрофильных композитных материалов с аморфными частицами тугоплавких материалов в качестве энергозапасающего компонента допускает принципиально новые конструктивные решения для малогабаритных источников питания и малогабаритных преобразователей энергии, значительно превосходящих существующие устройства по энергоемкости.

Изобретение поясняется далее более подробно на конкретном примере его осуществления со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображена конструктивная схема описываемой реализации аккумулятора по изобретению. Позициями на чертеже обозначены: 1 - матрица ячеистой структуры, 2 - рабочее тело аккумулятора, 3 - маска, 4 - электрод, 5 - активирующая головка, 6 - выводящий провод, 7 - активирующий электрод.

Аккумулятор в описываемом частном случае его реализации, показанном на фиг.1, содержит матрицу 1 ячеистой структуры, выполненную из химически инертного, непроводящего материала с низкой теплопроводностью, например композитов на основе кремния или углерода. Ячеистая матрица 1 может иметь прямоугольную или дискообразную форму с квадратно-гнездовым или спиралеобразным расположением ячеек, соответственно. Рабочее тело аккумулятора 2, представляющее собой частицы тугоплавкого металла (например: вольфрама, рения, тантала, молибдена) в высокоэнергетическом состоянии, размещено в каждой ячейке матрицы 1.

Одна сторона ячейки матрицы закрыта маской 3 и доступна для внешней активации рабочего тела и съема выделяемой в результате фазового перехода тепловой энергии при помощи электрода-теплообменника 4. Активация рабочего тела и съем выделяемой тепловой энергии может осуществляться универсальным устройством - активирующей головкой 5. Активирующая головка 5 может быть выполнена в виде преобразователя тепловой энергии, как, например, описано в [4], совмещенного с активирующим электродом 7, через который на рабочее тело подается электрический импульс, активирующий переход из высокоэнергетического состояния в низкоэнергетическое. Выделяемая рабочим телом тепловая энергия преобразуется активирующей головкой в электрическую непосредственно в процессе съема энергии с рабочего тела и выводится на выводящий провод. Последовательная активация ячеек с рабочим телом и съем энергии осуществляются пошаговым перемещением матрицы относительно активирующей головки, либо активирующей головки относительно матрицы. Таким образом достигается возможность управления процессом выделения и съема тепловой энергии аккумулятора.

В заключение следует отметить, что описанный пример приведен для пояснения заявленного изобретения и ни в коей мере не должен рассматриваться как ограничивающий объем притязаний. Специалисту будут ясны и другие конкретные случаи осуществления изобретения, которые, несмотря на отдельные несущественные отличия в режимах осуществления и/или используемых материалах, будут, тем не менее, как и заявленное изобретение, охарактеризованы той же совокупностью существенных признаков, приведенных в прилагаемой формуле.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Левенберг В.Д. Аккумулирование тепла. - Киев: Техника, 1991

2. Пугач Л.И., Серант Ф.А., Серант Д.Ф. Нетрадиционная энергетика, возобновляемые источники, использование биомассы, термохимическая подготовка, экологическая безопасность, - Новосибирск, НГТУ, 2006

3. Малхасян Размик Тачатович ″Способ прямого восстановления оксидов и получения аморфных металлов″. Патент Российской Федерации на изобретение №2041959, 20.08.1995

4. Гришин В.К.; Грибков А.С. ″Высокотемпературный преобразователь тепловой энергии в электрическую″ Патент Российской Федерации на изобретение 2136086, 31.10.2006.

1. Аккумулятор тепловой энергии, содержащий по крайней мере один управляющий элемент и рабочее тело, обеспечивающее накопление тепловой энергии и имеющее возможность выделения тепловой энергии в результате воздействия по крайней мере одного управляющего элемента, отличающийся тем, что рабочее тело представляет собой аморфные частицы тугоплавкого материала, обеспечивающие накопление тепловой энергии при нахождении в состоянии метастабильной сильно неупорядоченной дефектно-насыщенной конденсированной фазы и выделение тепловой энергии при фазовом переходе из дефектно-насыщенного неупорядоченного конденсированного состояния в состояние кристаллической упорядоченности.

2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что управляющий элемент выполнен с возможностью активации фазового перехода между дефектно-насыщенным и кристаллоподобным состояниями частиц рабочего тела.

3. Аккумулятор по п.1 или 2, отличающийся тем, что управляющий элемент выполнен с возможностью последовательной активации фазового перехода в частицах рабочего тела в ячейках аккумулятора.

4. Аккумулятор по п.3, отличающийся тем, что управляющий элемент содержит электрод, обеспечивающий активацию в рабочем теле фазового перехода с помощью электрического импульса.

5. Аккумулятор по любому из пп.1, 2, 4, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела использованы аморфные частицы вольфрама, рения, тантала, молибдена, ниобия.