способ получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты венера

Формула изобретения

Способ получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты Венера 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, перетока 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, отличающийся тем, что генератор размещают в составе спущенного на поверхность планеты исследовательского аппарата, в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, при этом обеспечивая изменение объема полости высокого давления в сторону уменьшения синхронно и пропорционально убыли массы рабочего тела в процессе выработки электроэнергии, а полость низкого давления сообщают с атмосферой Венеры, в которую самопроизвольно выпускается перегретый пар низкого давления рабочего тела.

Описание изобретения к патенту

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.

Для работы электронной аппаратуры и технических узлов, входящих в состав исследовательских аппаратов, спущенных на поверхность Венеры, необходимы надежные источники электроэнергии, выдерживающие жесткие климатические условия на ее поверхности: температуру атмосферы около 475°С, давление атмосферы 93 атм, атмосферу, состоящую на 96% из углекислого газа и на 4% из азота, присутствие серной кислоты.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения электроэнергии из тепла атмосферы на поверхности планеты Венера.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, это: 1 - возможность использования тепла атмосферы планеты Венера для получения электроэнергии; 2 - повышение удельной мощности прямого преобразования тепла в электричество; 3 - 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, генератор размещают в составе спущенного на поверхность Венеры исследовательского аппарата, в полости высокого давления размещают наперед заданное по массе количество рабочего тела, при этом обеспечивается изменение объема полости высокого давления в сторону уменьшения синхронно и пропорционально убыли массы рабочего тела в процессе выработки электроэнергии, а полость низкого давления сообщают с атмосферой Венеры, в которую самопроизвольно выпускают 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 на поверхности планеты Венера: а) в начале работы генератора; б) в конце работы генератора.

Фиг.2. Изображены 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 порядка P₁ 10 атм, температурой T₁ 737 К, равной температуре атмосферы Венеры на ее поверхности, с максимальной массой рабочего тела М_р.т.=max и максимальным объемом полости высокого давления V_нач.=max в начале работы генератора; 3 - полость низкого давления с температурой Т₁ 737 К перегретого пара низкого давления рабочего тела и давлением Р₂ 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 V₂ 10^-5 атм (йода) в атмосферу Венеры в процессе выработки электроэнергии ячейкой 1; 9 - выходные электрические клеммы ячейки 1 электрогенератора; Q₁ - подвод тепла из атмосферы Венеры 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.=303 К до температуры плавления Т_пл.=386,6 К с поглощением тепла Q₂ из атмосферы; (11-12) - процесс плавления твердого рабочего тела и переход его в жидкое состояние при температуре Т_пл. =386,6 К с поглощением тепла Q₃ - теплоты фазового перехода из атмосферы; (12-13) - процесс нагрева жидкого рабочего тела (йода) при постоянном давлении P₁ 10 атм от температуры Т_пл.=386,6 К до температуры, равной температуре атмосферы на поверхности планеты Венера T ₁=737 К - температуре перегрева жидкого йода с поглощением тепла Q₄ из атмосферы; (13-14) - процесс изотермической выработки электрической энергии в ячейке 1 при температуре T ₁=737 К с поглощением тепла Q₅ из атмосферы, при этом Q₁=Q₂+Q₃+Q₄ +Q₅; 13 - точка на T-S диаграмме, в которой рабочее тело находится в перегретом жидком состоянии с температурой T ₁=737 К и давлением P₁ 10 атм; 14 - точка на T-S диаграмме, в которой рабочее тело находится в виде перегретого пара низкого давления с температурой Т₁=737 К и давлением P₁ 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; (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 атмосферы Венеры Q₁ поднимает температуру ячейки 1 до температуры атмосферы Т₁=737 К, при которой находящееся в полости высокого давления 2 рабочее тело будет находиться в перегретом состоянии с давлением P₁ 10 атм и температурой T₁=737 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 Р ₂ 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 окружающую генератор атмосферу Венеры. В атмосфере Венеры отсутствует йод, и поэтому в атмосфере Венеры нет парциального давления пара йода - оно равно нулю. Давление атмосферы Венеры в 93 атм будет, в какой-то мере, препятствовать быстрому уходу перегретого пара йода от электрода 5 через отверстия 8 стенки 7 в атмосферу Венеры, но это давление 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=10^-5 атм, не на много отличающееся от Р'₂=2,5·10^-4 атм.

Электродвижущая сила токогенерирующей ячейки 1 определится по формуле:

где G - 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, ;

P₁=10 атм; P₂ =10^-5 атм; T_т.я.=T₁=737 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, А/см² , на электроде 4 или 5.

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

На фиг.3 представлены расчетные значения напряжений на клеммах 9 одной ячейки 1 и ее удельной мощности, рассчитанные по формулам (1-4) в зависимости от плотности тока на электродах 4 и 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.=0,25 Вт/см² (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, W_прот.=0,11 Вт/см ²), напряжение на клеммах 9 ячейки 1 будет равно V_ген.=0,507 В (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, V_прот.=0,335 B) при плотности тока J_ген.=0,507 А/см² (у токогенерирующей ячейки, работающей по способу-прототипу, J_прот.=0,335 А/см²).

Удельный расход рабочего тела-йода через электродный блок, включающий электроды 4 и 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 электродов 4-5;

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 M _р.т. (фиг.1) будет равна:

где n - время в сутках работы исследовательского аппарата на поверхности Венеры.

Постоянное синхронное уменьшение первоначального объема V_нач.=max полости 2 в процессе выработки электроэнергии пропорционально расходованию рабочего тела g (фиг.1,а) вплоть до полного использования рабочего тела, при котором М_р.т.=0 и V _кон.=min (фиг.1,б), необходим для исключения разрушения полости 2 давлением в 93 атм атмосферой Венеры и вывода из строя ячейки 1 и, следовательно, генератора из рабочего состояния.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения электрической энергии на поверхности Венеры позволяет: использовать тепло атмосферы планеты Венера для получения электрической энергии, повысить удельную мощность прямого преобразования тепла в электричество, обеспечить выработку одноразового наперед заданного количества киловатт-часов электроэнергии.