СПОСОБ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ ПЕРЕМЕННОГО ТРЕХФАЗНОГО ТОКА Российский патент 2007 года по МПК H01J45/00 

Заявляемое изобретение относится к области энергетики, а конкретно к прямому получению электрической энергии из тепла сжигания топлива посредством термоэлектронной эмиссии, и может быть использовано для снабжения электрической энергией промышленных и бытовых объектов, а также для частотно-регулируемого электропривода переменного трехфазного тока.

Известен способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, состоящий в следующем. В вакуумной камере, содержащей катод, термически соединенный с источником тепла, располагают токосъемный электрод сетчатой конструкции, а анод помещают вне вакуумной камеры, над токосъемным электродом. Токосъемный электрод периодически соединяют при помощи переключателя с конденсатором, накапливающим электрическую энергию преобразователя. В паузах между тактами токосъема конденсатор через тот же переключатель подключают к обмотке выходного трансформатора, преобразующего постоянное напряжение в переменное напряжение. В тех же паузах на анод подают положительные импульсы высокого напряжения от выпрямителя, который соединен с трансформатором. Положительные импульсы периодически отсасывают противоположный заряд от катода и увеличивают его эмиссионную активность, а полезную нагрузку при этом подключают к одной из обмоток трансформатора [патент RU №2087990, МПК 6 Н01J 45/00, 1997 г.].

Преобразование тепловой энергии в электрическую энергию по известному способу осуществляют путем нагрева катода, расположенного в вакуумной камере преобразователя, потоком теплоносителя, подводимого с внешней стороны камеры нагревателя от источника тепла. Полезная работа во внешней цепи совершается за счет электронов, покидающих нагреваемый катод и накапливающихся на электроде сетчатой конструкции в виде отрицательного заряда.

В известном способе использован прием получения прерывистого движения потока электронов тепловой эмиссии с преобразование движения в переменный ток в нагрузке. Недостатками известного способа являются следующие. Преобразователь, построенный по известному способу, имеет невысокую эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя не превышает 10%. Это связано, прежде всего, с нерациональным использованием тепловой энергии потока теплоносителя. В преобразователе в электрическую энергию преобразуется только малая часть подводимого тепла. Основная доля теплового потока, проходящего через преобразователь, отводится от сетчатого электрода и анода в окружающую среду, где рассеивается. Форма напряжения нагрузки, получаемой от трансформации однополярных прерывистых импульсов, далека от требуемой синусоидальной формы, она содержит высокочастотные гармонические составляющие, которые перегружают электрическую сеть, являясь источником дополнительных потерь электрической энергии.

Известен способ прямого преобразоваания тепловой энергии в электрическую энергию и термоэмиссионный генератор для его осуществления, наиболее близкий по своей физической сущности к заявляемому способу - прототип. В известном способе преобразование тепловой энергии в электрическую энергию осуществляют через поток движущегося теплоносителя, который подают к термоэмиссионным элементам. Они размещены в герметичном корпусе термоэмиссионного генератора в виде многоэтажной батареи с возможностью образования спиралевидной траектории прохождения потока теплоносителя по этажам батареи, которые отделены друг от друга каналами. Поток теплоносителя пропускают по первому каналу, нагревая эмиттеры термоэмиссионных элементов первого этажа, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов. На выходе из канала поток теплоносителя через канал обводной магистрали подают на вход следующего канала в том же направлении, что и поток теплоносителя предыдущего канала. При этом один и тот же поток теплоносителя одновременно используют для нагрева эмиттеров последующего этажа и в качестве охлаждающего агента для коллекторов термоэмиссионных элементов предыдущего этажа. Рабочий цикл повторяют до снижения температуры отработанного потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов.

Термоэмиссионные элементы связаны между собой в единую электрическую цепь.

В известном термоэмиссионном генераторе каждый из термоэмиссионных элементов содержит плоские эмиттер и коллектор, которые размещены с межэлектродным зазором внутри плоского герметичного кожуха, и механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток (РФ, патент №2144241, МПК Н01J 45/00, 2000 г.).

Применение способа позволяет использовать тепло, которое прошло через каждый термоэмиссионный элемент, в последующих термоэмиссионных элементах, что обеспечивает высокую эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, повышает КПД термоэмиссионного генератора до 60%. Недостотком известного способа является то, что термоэмиссионный генератор, сделанный по известному способу, не вырабатывает переменный ток.

Задача изобретения - обеспечить высокую эффективность преобразования в термоэмиссионном генераторе тепловой энергии к электрическую энергию переменного многофазного электрического тока и улучшить форму выходного напряжения.

Поставленная задача решается тем, что в термоэмиссионном генераторе с термоэмиссионными элементами, размещенными в виде многоэтажной батареи, согласно заявляемому способу, сдвиг фаз, частоту и форму выходного напряжения задают схемой управления, которая вырабатывает дискретные импульсы с меняющейся амплитудой и длительностью, равной длительности промежутка между импульсами. Импульсами периодически включают в работу термоэмиссионные элементы. При этом термоэмиссионные элементы объединяют в группы по числу фаз, в каждой группе термоэмиссионные элементы соединяют в параллельные цепочки, в одной фазе их четное число и не менее четырех, цепочки в фазе включают попарно встречно.

При импульсной работе термоэмиссионных элементов достигается максимальный эффект преобразования тепла в электрическую энергию (см., например, кн. Л.Н.Добрецов, М.В.Гомоюнова. «Эмиссионная электроника», издетельство «Наука», M., 1966, на стр.205, в таблице 4 последняя строка).

Сравнение предлагаемого способа с известным позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «новизна», так как предложен новый прием организации потоков электрической энергии в термоэмиссионном генераторе, при котором осуществляется прямое высокоэффективное преобразование тепла в электрическую энергию многофазного переменого тока. Выходное напряжение имеет строго синусоидальную форму. Форма выходного напряжения образуется оригинальным сплошным заполнением высокочастотными импульсами, отличающимися амплитудой. Появляется возможность в широких пределах менять частоту выходного напряжения.

В известных источниках информации не обнаружено данных об известности заявляемого приема организации управления термоэмиссионными элементами для формирования синусоидальной огибающей выходного напряжения с возможностью регулирования частоты. Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «Изобретательский уровень».

Заявляемый способ может быть применен на любой электростанции, а так же там, где требуется регулирование частоты питающего напряжения без снижения вырабатывемой мощности в процессе потребления электрической энергии, например в электроприводах на транспорте.

Заявляемый способ прямого преобразования тепла в электрическую энергию трехфазного переменного тока иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг.1,а представлена схема движения потока теплоносителя через термоэмиссионные элементы термоэмиссионного генератора.

На фиг.1,б изображен фрагмент устройства плоского термоэмиссионного элемента.

На фиг.2,а приведена блок-схема термоэмиссионного генератора, по которой реализуется способ.

На фиг.2,б дана принципиальная схема электрических соединений термоэмиссионного генератора, в качестве примера конкретной реализации способа.

На фиг.2,в изображены формы управляющих и выходного напряжений в узлах термоэмиссионного генератора.

Термоэмиссионный генератор, используемый для демонстрации способа (фиг.1,а), состоит из размещенных этажами в корпусе 1 плоских термоэмиссионных элементов 2. Каждый из термоэмиссионных элементов содержит эмиттер 3 и коллектор 4 с межэлектродным зазором и помещен внутрь герметичного кожуха.

Непосредственно к корпусу 1 премыкает блок 5, содержащий обводные каналы, которые служат для перевода потока теплоносителя 6 (путь теплоносителя обозначен сплошной линией со стрелками) с этажа на этаж. Теплоносителем является горячий газ (дым) от сжигания топлива в топке термоэмиссионного генератора (на фиг.1,а топка не показана). Прерывистой линией со стрелками обозначен поток воздуха 5, которым производится охлаждение коллекторов последнего этажа (на фиг.1,а нижнего).

На фиг.1,б изображено размещение эмиттера 3 и коллектора 4 в термоэмиссионном элементе. Вблизи коллектора в межэлектродном пространстве термоэмиссионного элемента расположены провода 8 управляющей сетки с термостойкой электроизоляцией 9.

Блок-схема фиг.2,а включает четыре секции. В секции 1 (формираватель управляющих сигналов) вырабатываются электрические сигналы управления, обеспечивающие сдвиг фаз, задание частоты и формы выходного напряжения термоэмиссиионного генератора. В секции 2 происходит преобразование сигналов непрерывной формы в импульсную и согласование мощности импульсных сигналов с мощностями, требуемыми для питания управляющих сеток термоэмиссионных элементов секции 3. Секция 3 (силовая) служит для выработки электрической энергии из тепловой энергии. Каждый термоэмиссионный элемент вырабатывает электрическую энергию только в период, когда к его сетке приложен импульс напряжения, поступивший из секции 2. В секции 4 (нагрузка) происходит потребление электроэнергии.

Заявляемый эффект в термоэмиссионном генераторе достигается за счет приемов коммутации термоэмиссионных элементов в единую электрическую цепь и целенаправленного воздействия управляющих импульсных сигналов на управляющие сетки термоэмиссионных элементов.

На схеме фиг.2,б утолщенными линиями изображены соединения элементов силовой части термоэмиссионного генератора, тонкими линиями обозначены соединения элеметов цепей управления.

Термоэмиссионные элементы (ТЭ1, ..., ТЭ4), как показано на схеме фиг.2,б (секция 3), разделены на три равные группы по колличеству требуемых при питании нагрузки потребляющей трехфазный переменный ток фаз.

На схеме изображено соединение ТЭ только одной фазы А, соединения фаз В и С аналогичны, поэтому их изображения не показаны. ТЭ в одной фазе разделены на 4 цепочки. Соединение ТЭ в каждой цепочке последовательное. Все четыре цепочки соединены параллельно и попарно встречно так, что через цепочки 1, 2 может следовать ток только одного направления, а через цепочки 3, 4 противоположного.

Такой способ соединения в фазах обусловлен свойствами ТЭ. ТЭ является источником электроэнергии, в нем происходит преобразование тепла в электричество. ТЭ может вырабатывать ток только одного направления. Величина напряжения ТЭ пропорциональна напряжению на управляющей сетке, причем ТЭ эффективно работает только при подаче на сетку прерывистого однополярного напряжения, имеющего положительную полярность по отношению к эмиттеру. При нулевом сигнале управления или при сигнале обратного знака в ТЭ не происходит выработки электрической энергий.

В каждой цепочке ТЭ управляющие сетки соединены между собой и подключены к выходам усилителей согласования мощности УМ1, ..., УМ4, секции 2. На выход силовой цепи термоэмиссионного генератора подключена нагрузка Z (секция 4) в звезду, она может включаться и в треугольник, если это требуется. Система выработки управляющих сигналов (секции 1 и 2) может быть реализована на электромеханических элементах или интегральных схемах. Вариант системы фиг.2,б выполнен на электромеханических элементах. Микродвигатель постоянного тока М питается от стабилизированного источника Б, который может подзаряжаться от силовых цепей секции 3 (на фиг.2,б схема подзарядки не показана). Потенциометром R регулируется напряжение микродвигателя М. Микродвигатель М вращает микрогенератор Г, на роторе которого вращается двухполюсный магнит. На статоре Г размещены обмотки. Их пространственное расположение обеспечивает неизменный фазовый сдвиг наводимых в них ЭДС. При вращении магнита в обмотках наводятся ЭДС синусоидальной формы. Частота ЭДС определяется скоростью вращения ротора Г. Обороты микродвигателя М пропорциональны величине подводимого напряжения. При перемещении движка потенциометра R будут меняться обороты микродвигателя М, а следовательно, и частота ЭДС, вырабатываемых микрогенератором Г. Таким образом, управляющие сигналы напряжения секции 1 имеют синусоидальную форму, сдвиг фаз и заданную частоту. Изменением величины подпитки постоянных магнитов в генераторе Г при изменении скорости вращения его ротора достигается стабильность амплитуды выходного напряжения генератора. Схема подпитки магнитов на фиг.2,б не показана. В преобразующе-согласующем устройстве (секция 2) осуществляется преобразование непрерывного сигнала в импульсы, причем величина длительности импульсов и пропусков совпадают, а огибающая амплитуда импульсов повторяет форму сигналов, вырабатываемых в секции 1. В данном случае для преобразования использованы аналоговые ключи на МОП - транзисторах (см. кн. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. «Практика аналогового моделирования динамических систем». Справочное пособие - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.241). Попеременно на каждом из двух выходов триггера ТР появляются импульсы и открывают транзисторы VT1 и VT3 или VT2 и VT4. Открывание транзисторов соправождается закорачиванием усилителей 1 и 2 или 3 и 4, в этом положении усилители не пропускают сигналы, вырабатываемые в секции 1, и на их выходах будет напряжение, равное нулю. При работе ТР на выходах усилителей УМ1,...,УМ4 образуются прерывистые сигналы в виде серии импульсов с частотой появления, задаваемой на ТР и амплитудами, образующими огибающую, повторяющую форму сигнала секции 1.

Как следует из графиков напряжений U1 и U2, их формы дополняют одна другую и при наложении они образуют сплошную синусоидальную зависимость. Их выходы УМ1 и УМ2 подключены к сеткам двух разных цепочек термоэмиссионных элементов ТЭ1 и ТЭ2. Управляющие сетки цепочек находятся под импульсным напряжением и поэтому происходит интенсивное преобразование тепла в электрическую энергию в этих двух цепочках. Максимум эффекта преобразования достигается регулированием частоты триггера ТР. Напряжение на цепочке из ТЭ1 и ТЭ2 будет не импульсным, а заполненным благодаря воздействию импульсных сигналов попеременно на каждую цепочку. Данная цепочка «открыта» для тока одного направления. При изменении знака сигнала эта цепочка закрывается, и работает цепочка, содержащая термоэмиссионные элементы ТЭ3 и ТЭ4. Усилитель П служит для изменения знака сигнала на обратный. Штрихами на фиг.2, в обозначены импульсы сигналов в периоды, когда они запирают цепочки. термоэмиссионных элементов.

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности к получению электроэнергии испарением электронов в вакуум за счет тепла газов, образующихся при сжигании топлива, и может быть использовано для снабжения электроэнергией зданий, в металлургии и на транспорте, где требуется электропривод с частотным регулированием. Способ прямого преобразования тепла в электрическую энергию переменного трехфазного тока заключается в том, что сдвиг фаз, частоту и форму выходного напряжения термоэмиссионного генератора с термоэмиссионными элементами, размещенными в виде многоэтажной батареи, омываемой движущимся по спиралеобразной траектории теплоносителем, задают импульсами управления, отличающимися амплитудой, с длительностью, равной длительности промежутков. Термоэмиссионные элементы периодически включают в работу импульсами, причем термоэмиссионные элементы объединяют в группы по числу фаз, и в каждой группе соединяют в параллельные цепочки, в одной фазе устанавливают четное число цепочек по количеству, не менее четырех, половину цепочек в фазе включают встречно. Часть цепочек одного направления включается импульсами, появление которых сдвинуто на величину промежутка по отношению к импульсам, включающим другую часть цепочек. Технический результат - высокоэффективное преобразование тепловой энергии в электрическую энергию переменного трехфазного тока регулируемой частоты и с формой выходного напряжения, близкой к синусоидальной. 2 ил.

Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию путем передачи тепла термоэмиссионным элементам, размещенным в герметичном корпусе термоэмиссионного генератора в виде многоэтажной батареи, через поток движущегося по спиралевидной траектории теплоносителя, отличающийся тем, что термоэмиссионные элементы объединяют в группы по числу фаз, в каждой группе термоэмиссионные элементы соединяют в параллельные цепочки, в одной группе устанавливают не менее четырех цепочек, половину цепочек включают встречно, а сдвиг фаз, частоту и форму выходного напряжения термоэмиссионного генератора задают импульсами управления, которые подают на управляющие сетки термоэмиссионных элементов, импульсы имеют длительности, равные длительностям промежутков, но отличаются амплитудами, причем к части цепочек одного направления на сетки подают импульсы, сдвинутые во времени на величину промежутка по отношению к импульсам, поступающим на сетки другой части.