СПОСОБ, УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2012 года по МПК F01K27/00 F03G3/00 

Примером устройства для преобразования энергии является электростанция, работающая на восходящих потоках воздуха. В электростанции, работающей на восходящих потоках воздуха, воздух нагревается солнцем и подводится к дымовой трубе, в которой происходит его перемещение вверх. В этом случае расположенная в дымовой трубе турбина может с помощью потока воздуха вырабатывать электрический ток.

В таких и других устройствах для преобразования энергии имеющаяся энергия используется не оптимально.

Изобретение рассматривает преобразование имеющейся тепловой энергии, которая к тому же позволяет осуществлять преобразование гораздо эффективнее, чем это имеет место в известных устройствах.

Способ преобразования энергии включает следующие этапы:

a) преобразование не газообразного носителя в газообразный носитель с использованием тепловой энергии, так что газообразный носитель образует восходящие потоки и получает потенциальную энергию;

b) обратное превращение газообразного носителя на заданной высоте в не газообразный носитель; и

c) преобразование потенциальной энергии вновь полученного не газообразного носителя в другой вид энергии.

Устройство для преобразования энергии содержит полое пространство. Устройство включает расположенное на нижнем конце полого пространства приспособление для изменения агрегатного состояния, сформированное для преобразования не газообразного носителя в газообразный носитель путем подачи тепловой энергией, так что в полом пространстве образуются восходящие потоки носителя и получается потенциальная энергия. Устройство включает расположенный на верхнем конце полого пространства коллектор, сформированный для аккумулирования не газообразного носителя, вновь образованного из газообразного носителя. Устройство включает также приспособление для преобразования энергии, сформированное для преобразования потенциальной энергии не газообразного носителя в другой вид энергии.

Система для преобразования энергии включает устройство и дополнительно имеет устройство для получения тепловой энергии, которая поставляется в распоряжении приспособлению для изменения агрегатного состояния.

Таким образом, предлагается, что используется имеющаяся тепловая энергия, чтобы получить потенциальную энергию, которая потом опять же может преобразовываться в желательный вид энергии. При этом потенциальная энергия получается за счет того, что не газообразный, т.е. твердый или жидкий носитель, превращается в газообразное агрегатное состояние и потом создаются восходящие потоки этого носителя. Снова превращаясь в не газообразное агрегатное состояние, носитель с накопленной потенциальной энергией предоставляет в распоряжение возможность получения энергии.

Преимущество изобретения заключается в том, что оно позволяет эффективное преобразование имеющейся тепловой энергии в желаемый вид энергии. К тому же оно может реализоваться при сравнительно небольших конструктивных размерах.

При соответствующем выборе подводимой тепловой энергии, кроме того, изобретение может быть реализовано таким образом, что совершенно не происходит излучения. В принципе, для получения тепловой энергии может применяться любой источник энергии. Применяемая тепловая энергия может быть получена из тепла Земли, тепла воды, воздуха, ископаемых носителей энергии, носителей ядерной энергии и/или солнечной энергии.

Тепловая энергия может подаваться исключительно у исходной точки начинающего образовывать восходящие потоки носителя, в соответствии с устройством исключительно через приспособление для изменения агрегатного состояния. В альтернативном решении тепловая энергия может также подводиться к носителю с распределением по высоте, которую преодолевает газообразный носитель.

Устройство для этой цели может иметь соответствующим образом расположенный элемент для подачи энергии. Такой элемент для подачи энергии сам может включать элемент для получения энергии, или питаться энергией от элемента для получения энергии.

Распределенная по высоте подача тепловой энергии имеет то преимущество, что в целом должно подводиться меньше внешней тепловой энергии. Так, на выбранных высотах или непрерывно по высоте полого пространства соответственно подводится ровно так много энергии, что носитель до достижения заданной высоты остается в газообразном состоянии.

Кроме того, изобретение может реализоваться в более компактном и требующем меньше затрат виде, если, например, солнечные коллекторы, в качестве элементов, получающих энергию, и элементов, подающих энергию, расположены непосредственно на оболочке полого пространства, в котором образуются восходящие потоки газообразного носителя, или если они полностью или частично образуют эту оболочку.

Элементы, подающие энергию, могут полностью окружать оболочку, в которой образуются восходящие потоки носителя, или, например, в случае применения солнечных коллекторов они могут располагаться только на одной стороне, обращенной к солнцу. Далее элементы могут распространяться по всей высоте полого пространства или располагаться только на выбранном участке по высоте или на нескольких выбранных участках по высоте.

В приведенном в качестве примера варианте осуществления обратное превращение газообразного носителя в не газообразный носитель может осуществляться за счет охлаждения газообразного носителя. При этом охлаждение может производиться с помощью холодильного агрегата.

При этом охлаждение может производиться, к примеру, с помощью того, что транспортирующая среда направляется через расположенные на заданной высоте области охлаждения или через холодильный агрегат. Области охлаждения могут быть при этом образованы шлангами или другими трубопроводами. Области охлаждения при этом могут быть выполнены и расположены таким образом, что они одновременно могут использоваться для отвода вновь превращенного не газообразного носителя в предусмотренное место сбора.

Если охлаждение осуществляется с помощью транспортирующей среды, то кроме прочего, нагревание транспортирующей среды, происходящее при охлаждении носителя, может использоваться, чтобы вносить свой вклад в подаваемую тепловую энергию. Для этого в соответствии с устройством может предусматриваться трубопровод для возврата тепла, который направляет нагретую транспортирующую среду в приспособление для изменения агрегатного состоянии, которое расположено на нижнем конце полого пространства. Такая форма осуществления имеет преимущество в том, что она особенно эффективна, так как во время работы должны восполняться только теряемая энергия, включая затраченную полезную энергию.

В альтернативной или дополнительной форме осуществления могло бы для поддержания обратного превращения не газообразного носителя непосредственно в газообразный носитель вводиться также вещество, например, через соответственно образованный коллектор. При этом подача может осуществляться с помощью распыления или в капельном состоянии. После того как вещество отнимет тепло у носителя и таким образом возникнет конденсат, вещество может быть снова для дальнейшего применения отделено от носителя. Это может, например, осуществляться простым способом, когда носитель представлен водой, а вещество маслом. Вместо этого вновь обращенный в первичное состояние носитель может подаваться в распыленном или капельном состоянии в газообразный, образующий восходящие потоки носитель, прежде чем он будет направлен на преобразование содержащейся в нем потенциальной энергии. Благодаря таким образом увеличенной контактной поверхности с образующим восходящие потоки, все еще имеющим газообразное состояние носителем точно также поддерживается обратное превращение. При этом должно лишь обеспечиваться, чтобы находящееся в распыленном или в капельном виде вещество не попало обратно в приспособление для изменения агрегатного состояния, а подавалось бы только в устройство для преобразования энергии. Это, к примеру, может достигаться с помощью того, что носитель подается в распыленном или капельном виде только в область пространства, обращенную к верхнему концу полого пространства.

В другой, приведенной в качестве примера форме осуществления при обратном превращении можно отказаться от активного охлаждения носителя. Обратное превращение газообразного носителя в не газообразный носитель на заданной высоте может осуществляться, к примеру, на основе охлаждения газообразного носителя при движении вверх. Для этого может выбираться подходящая высота полого пространства. Точнее высота устанавливается, таким образом, относительно тепла, направленного в носитель, что охлаждение генерируется благодаря подъему в известной степени переохлажденного пара благодаря тому, что на высоте коллектора происходит самоконденсация. Такая самоконденсация может поддерживаться за счет соответствующего образования коллектора. Коллектор мог бы быть образован, к примеру, в форме сети или нескольких сетей, которые служат в качестве большой перехватывающей поверхности для образования конденсационного тумана и/или для уплотнения конденсата.

Однако подразумевается, что как при активном охлаждении, так и без активного охлаждения коллектор равным образом может включать простую - при необходимости охлажденную плоскость раздела, которая образована так, что она направляет вновь превращенный не газообразный носитель, например, через сборный резервуар устройства для преобразования энергии.

В представляющем пример варианте осуществления вновь полученный не газообразный носитель перед преобразованием полученной потенциальной энергии носителя в другой вид энергии промежуточным образом аккумулируется с помощью промежуточного аккумулятора.

Промежуточное аккумулирование вновь полученного не газообразного носителя, к примеру, пригодно, чтобы иметь резерв для работы во время, когда в распоряжении больше не имеется какой-либо внешней тепловой энергии. Далее с помощью промежуточного аккумулирования может быть закрыта максимальная потребность в желаемом виде энергии или же сглажены максимумы в поставке вновь полученного не газообразного носителя.

Для преобразования потенциальной энергии носителя в другой вид энергии потенциальная энергия может быть сначала преобразована в кинетическую энергию. Это может происходить с помощью того, что вновь полученный не газообразный носитель падает с большей высоты на меньшую высоту, например, в спускной трубе. В этом случае кинетическая энергия может превращаться в другой вид энергии. Для этого может предусматриваться преобразователь энергии, например турбина с возможно подключенным генератором.

В конечном результате потенциальная энергия может преобразовываться в любой вид энергии. Подразумевается, что преобразование в желаемый вид энергии также включает аккумулирование энергии в желаемом энергоносителе. Таким образом, допускается, среди прочего, преобразование в механическую энергию, в электрическую энергию, в энергию для создания химического энергоносителя и/или в энергию для создания физического энергоносителя.

После преобразования потенциальной энергии в другой вид энергии, вновь полученный не газообразный носитель, при необходимости, аккумулируется в промежуточном аккумуляторе.

Вместо этого или сразу же вновь полученный не газообразный носитель после преобразования потенциальной энергии в другой вид энергии может, по меньшей мере, частично снова использоваться в замкнутом кругообороте. В соответствии с изобретением носитель для этого снова направляется в приспособление для изменения агрегатного состояния.

При преобразовании не газообразного носителя в газообразный носитель он может, кроме того, в зависимости от состава подвергаться дистилляции. Дистиллированный, вновь полученный не газообразный носитель в этом случае может перед и после преобразования потенциальной энергии в другой вид энергии, по меньшей мере, частично отбираться через подключение для отбора.

Если, к примеру, в качестве носителя применяется морская вода, то при испарении упрощенным образом представленной воды, происходит высвобождение газов и выпадение солей. В области конденсации на заданной высоте в распоряжении будет в этом случае главным образом чистая вода. Из этого вытекают опять же разносторонние возможности применения и осуществления, в частности, получение питьевой воды и воды для орошения. Если в качестве носителя применяется техническая вода или сточные промышленные или хозяйственные воды, то с помощью дистилляции осуществляется использование технической воды или очистка сточных вод, а также получение остаточных веществ.

Газообразный носитель может образовывать восходящие потоки в полом пространстве, которое за исключением случайных примесей не содержит каких-либо других веществ. В качестве альтернативы полое пространство может содержать и заполняющую среду, которая захватывается образующим восходящие потоки газообразным носителем. В случае заполняющей среды речь может идти о воздухе или любом другом газе или смеси газов.

Применение заполняющей среды позволяет выравнивать различие давления между полым пространством и окружающей средой. Такое различие может быть следствием различных рабочих температур, которые вызываются изменением агрегатных состояний носителя. Так как заполняющая среда захватывается носителем, для заполняющей среды может предусматриваться замкнутый кругооборот, в котором заполняющая среда после удаления носителя на заданной высоте снова поступает в распоряжение испарителя. В качестве альтернативы также может предусматриваться открытая система, в которой заполняющая среда засасывается снаружи с помощью захвата внутрь полого пространства и после использования снова выпускается наружу.

В основном для всех использованных и отобранных не для внешнего использования веществ, как носитель, транспортирующая среда и заполняющая среда, а также для всех отобранных не для внешнего использования энергий предлагаются формы осуществления с замкнутыми кругооборотами, а также с открытыми системами.

Изобретение ниже более подробно поясняется с помощью приведенного примера осуществления. Где показывают:

фиг.1 - схематическое изображение конструкции приведенного в качестве примера, предложенного в соответствии с изобретением устройства;

фиг.2 - схема потоков, которая поясняет работу устройства на фиг.1;

фиг.3 - блок-схема приведенного в качестве примера, предложенного в соответствии с изобретением устройства;

фиг.4 - схематическое изображение другого, приведенного в качестве примера, предложенного в соответствии с изобретением устройства;

фиг.5 - схематическое изображение другого, приведенного в качестве примера, предложенного в соответствии с изобретением устройства; и

фиг.6 - схематическое изображение приведенного в качестве примера возврата тепла в предложенном в соответствии с изобретением устройстве.

На фиг.1 показан пример осуществления предложенного в соответствии с изобретением устройства для эффективного преобразования энергии.

Устройство включает сооружение 10, в котором имеется полое пространство 11. Подразумевается, что полое пространство в альтернативном исполнении могло бы располагаться под наклоном, например, на стороне холма. На нижнем конце полого пространства 11 на высоте h=h₀ расположена испарительная камера 12.

На верхнем конце полого пространства 11 на высоте h=h₁ расположен холодильный агрегат 13. От холодильного агрегата 13 к турбине 15 ведет спускная труба 14 с присоединенным к ней генератором. Турбина опять же соединена с испарительной камерой 12. Кроме того, холодильный агрегат 13 через трубопровод для возврата тепла 16 соединен с испарительной камерой. Далее в полом пространстве в качестве варианта расположена турбина электростанции, работающей на восходящих потоках 17.

Наконец элемент 18 для получения тепловой энергии расположен таким образом, что к испарительной камере 11 может подводиться тепловая энергия. Примером такого элемента является солнечный коллектор. Вместо солнца элементом 18 может использоваться также любой другой источник энергии. Подразумевается в дальнейшем, что может быть предусмотрено некоторое число таких элементов.

На фиг.2 представлена схема потоков, которая делает более наглядным принципиальный способ функционирования устройства на фиг.1.

В испарительной камере 12 находится носитель в не газообразном агрегатном состоянии, например вода, в качестве жидкого носителя.

К испарительной камере 12 для получения энергии элементом 18 подводится внешняя тепловая энергия (этап 21).

Благодаря подведенной тепловой энергии носитель превращается в газообразное агрегатное состояние, что означает, что он испаряется и поднимается в полое пространство 11.

На высоте h=h₁ носитель обратно возвращается в прежнее агрегатное состояние (этап 22).

Это означает, что происходит конденсация пара из носителя. В представленном примере обратному превращению носителя способствует холодильный агрегат 13. К примеру, такой холодильный агрегат может состоять из сети шлангов. Во-первых, сеть представляет большую площадь контактов, чтобы создать или уплотнить конденсационный туман. Во-вторых, в качестве охлаждающего средства через шланги может протекать транспортирующая среда, которая поддерживает конденсацию на сети. Сеть отводит полученный конденсат в направлении спускной трубы 14.

Нагретая в шлангах транспортирующая среда по трубопроводу для возврата тепла 16 может подводиться к испарительной камере 12, чтобы там поддержать эффект подведенной тепловой энергии и потом в охлажденном состоянии снова подводиться к холодильному агрегату 13 (этап 23).

Носитель теперь в связи с тем, что он перемещен на высоту h₁-h₀, имеет накопленную потенциальную энергию. При падении вниз по спускной трубе 14 из потенциальной энергии получается кинетическая энергия (этап 24).

Кинетическая энергия может быть теперь преобразована в другой, желаемый вид энергии (этап 25).

Например, падающий носитель может приводить в движение турбину 15, и получающаяся энергия вращения может потом использоваться для приведения в действие присоединенного генератора и производства электрической энергии.

После того как носитель привел в движение турбину 15, он потом снова может направляться в испарительную камеру 12.

Как вариант, электростанция, работающая на восходящих потоках, может использовать восходящий пар из носителя между этапами 21 и 22 дополнительно традиционным способом для получения энергии.

Отдельные избранные детали и возможности вариации устройства на фиг.1 представлены на блок-схеме, изображенной на фиг.3.

К испарителю 32, или, говоря в общем, приспособлению для изменения агрегатного состояния подводится носитель. Носитель может быть, например, представлен морской водой. Испаритель 32 соответствует испарительной камере 12 на фиг.12. В испарителе 32 носитель с помощью подведенной тепловой энергии испаряется.

Пар поднимается в полое пространство сооружения 30 до тех пор, пока не достигнет второго приспособления для изменения агрегатного состояния 33. Полое пространство может дополнительно содержать заполняющую среду, которая в открытом или замкнутом кругообороте захватывается носителем.

Второе приспособление для изменения агрегатного состояния 33 может соответствовать холодильному агрегату на фиг.1, который в качестве конденсационного коллектора способствует поддержанию конденсации с помощью охлаждения пара. Если приспособление для изменения агрегатного состояния 33 включает холодильный агрегат, то осуществляется возврат тепла в испаритель 32.

В качестве альтернативы второе приспособление для изменения агрегатного состояния 33 может быть представлено конденсатором, который в качестве конденсационного коллектора собирает лишь конденсат, образующийся из пара. В случае, когда высота сооружения имеет преимущественно такие размеры, что благодаря охлаждению пара при движении вверх происходит самоконденсация на высоте конденсатора, например, на сети, она может включать конденсатор для сбора и отправки конденсата.

Если испарение и конденсация должны применяться одновременно для дистилляции носителя, то часть конденсированного носителя через подключение для отбора 40 напрямую отводится потребителю. Если носитель, к примеру, представлен морской водой, то при испарении происходит выпадение содержащихся солей и часть конденсированного носителя может использоваться в качестве питьевой воды или для орошения.

Оставшаяся часть конденсированного носителя подводится к промежуточному аккумулятору 41, например водяному резервуару, который равным образом расположен в основном на высоте второго приспособления для изменения агрегатного состояния 33. Промежуточное аккумулирование позволяет получить желаемый вид энергии в желаемое время. Это позволяет иметь увеличенное получение желаемого вида энергии во время пиковых нагрузок и/или обеспечить равномерное во времени получение желаемого вида энергии, если тепловая энергия подводится только в определенное время, в связи с чем получение конденсата ограничено только определенным временем.

Конденсированный носитель потом в зависимости от потребности может быть направлен для падения через спускную трубу, где он поступает в турбину 35 и приводит ее в движение. Произведенная в турбине 35 энергия вращения либо может напрямую использоваться потребителем, и/или подаваться на генератор 42 для выработки электрической энергии.

Электрическая энергия может опять же либо подаваться непосредственно потребителю, либо использоваться для другого преобразования в другой вид энергии 43, например, для получения водорода или кислорода.

После того как конденсированный носитель привел в движение турбину 35, он может промежуточным образом аккумулироваться в другом промежуточном аккумуляторе 44, чтобы потом вновь подводиться в замкнутый кругооборот испарителя. Подразумевается, что отбор дистиллированного носителя может осуществляться также перед или после второго промежуточного аккумулятора 44, чтобы для приведения в движение турбины в распоряжении оставалось еще достаточно большее количество носителя.

Поскольку из кругооборота конденсированного носителя было отобрано некоторое количество, извне в испаритель 32 дополнительно подводится носитель, например, также в виде морской воды.

На фиг.4 показана другая модификация устройства, представленного на фиг.1, в качестве другого примера осуществления предложенного в соответствии с изобретением устройства для эффективного преобразования энергии. Одинаковые компоненты снабжены одинаковыми с фиг.1 позициями.

В этом примере осуществления испарительная камера 12, сооружение 10 с полым пространством 11, холодильный агрегат 13, спускная труба 14, турбина 15 и трубопровод для возврата тепла 16 расположены как на фиг.1.

Однако в исполнении в соответствии с фиг.4 элемент 19 для получения и подачи тепловой энергии расположен вдоль оболочки полого пространства. Элемент 19 может быть представлен, например, солнечным коллектором. Элемент 19 поставляет распределенную по высоте полого пространства тепловую энергию в поднимающийся газообразный носитель, так что предотвращается прямая самокондесация перед достижением холодильного агрегата 13.

К испарительной камере 12 в этом случае должно подводиться столько энергии, сколько требуется для преобразования не газообразного носителя в газообразный носитель. При работе устройства возможно для этого будет достаточно тепла, возвращенного из холодильного агрегата 13 через трубопровод для возврата тепла 16. Внешнее тепло должно подводиться в испарительную камеру лишь при запуске в работу, или в полое пространство при запуске в работу, когда сначала осуществляется распыление на газообразный носитель, который превращается в пар в самом полом пространстве 11.

Кроме этого устройство на фиг.4 работает как устройство на фиг.1.

Другими словами, изобретение и некоторые формы осуществления могут быть описаны следующим образом:

В основе способа и/или устройства для получения энергии лежит сбор и превращение тепловой энергии за счет преобразования потенциальной энергии в поле тяготения массы (Epot=m*g*h; где m¹ - масса в килограммах, поднятая на высоту; g¹ - гравитационная постоянная и h¹ - высота) в энергию и/или энергоноситель, которые необходимы нам людям для преобразования окружающего мира.

Физика, которая используется здесь для получения энергии, реализуется путем использования энергии для изменения твердого или жидкого агрегатного состояния в газообразное агрегатное состояние и обратно, а также с помощью динамики газов в виде адиабатического расширения, которое имеет место после изменения агрегатного состояния в газообразную форму. Из адиабатического расширения вытекает эффект дымовой трубы, который играет роль в этом способе и/или устройстве. В итоге из этого получается преобразование энергии в форме тепла в накопленную в поле тяготения энергию, которая потом опять же может преобразовываться и/или преобразуется в другие виды энергии.

В основе способа и/или устройства для получения энергии лежит "Heat pipe", правда, с решающими изменениями и усовершенствованиями. При этом масса в поле тяготения расположена таким образом, что при движении от одного конца к другому концу (= высота h) должна быть затрачена энергия для преодоления разности в потенциале поля тяготения. Например, в переходе к падению на "землю" это означает, что один конец находится на земной поверхности (высота h₀=0), а второй конец находится на высоте h₁>0 над земной поверхностью.

Основной принцип действия, по которому может быть осуществлен способ или работать устройство для получения энергии, описывается следующим образом (фиг.3): вещество (= носитель) с помощью подведенной из вне энергии переводится в газообразное агрегатное состояние, потом вследствие физического эффекта адиабатического расширения, который играет основную роль, транспортируется на высоту h и там возвращается в первоначальное агрегатное состояние (= конденсируется). После чего в распоряжении имеется вещество с запасенной потенциальной энергией для получения энергии. В качестве варианта оно может там, на этой высоте аккумулироваться промежуточным образом для более позднего использования. Потенциальная энергия потом может преобразовываться с помощью соответствующих устройств и/или способов в другие физические или химические виды энергии, т.е. носитель может отбираться. После отбора потенциальной энергии вещество в качестве варианта может снова промежуточным образом аккумулироваться. После чего потом в качестве варианта, если планируется в соответствующей форме осуществления, носитель может снова возвращаться в кругооборот.

Для преобразования способа и/или устройства для получения энергии в варианте осуществления представляется кругооборот со следующими элементами (см. также фиг.1).

Испарительная камера для испарения носителя с помощью привнесенного внешнего тепла, к которой примыкает сооружение высотой h, в котором пар может подниматься и в котором может располагаться электростанция, работающая на восходящих потоках, к которому в варианте осуществления примыкает холодильный агрегат (= холодильное устройство) для получения конденсата из пароносителя, в другом варианте осуществления высота h в зависимости от привнесенного в носитель тепла устанавливается таким образом, что охлаждение генерирует при движении вверх (это физический процесс превращения тепла (= микроскопическое движение) в макроскопическое движение, это равнонаправленное движение молекул/атомов - эффект дымовой трубы) в известной мере переохлажденный пар, что в лучшем случае используется самоконденсация, и холодильный агрегат становится не нужным, далее имеются в одном из вариантов осуществления конденсационный коллектор/конденсаторы, например, в форме сетей, которые служат в качестве большой контактной поверхности, чтобы получить или дальше уплотнить конденсационный туман/конденсат, далее присоединено устройство промежуточного аккумулирования, что является необязательным, для конденсата (необходимо в случае отсутствия внешнего тепла или, чтобы перекрыть пиковое потребление, или сгладить пики в поставке конденсата), далее присоединена спускная труба для конденсата, в которой размещена турбина с присоединенным генератором, в котором кинетическая энергия, полученная из потенциальной энергии конденсата носителя при падении в спускной трубе, может превращаться в электрическую энергию (опять же также может преобразовываться непосредственно в тепло), далее присоединено (не обязательно) другое устройство промежуточного аккумулирования конденсата, и далее следует снова испарительная камера. При этом тепло, выделенное в холодильном агрегате, с помощью транспортирующей среды может снова направляться в нагревательное устройство испарительной камеры.

Для преобразования способа и/или устройства для получения энергии возможны различные варианты осуществления. В описанных до сих пор способах и/или устройствах носитель за исключением примесей представлен не обязательно единственным газом, заполняющим сооружение на высоту h, в другом варианте осуществления в нем имеется дополнительно заполняющая среда (предпочтительно воздух, но может использоваться и другой газ/смесь газов. Это решение обусловлено тем, что возникает различие в давлении во внутреннем пространстве способа и/или устройства и внешнем окружении при различных производственных температурах, которое вызывается изменением агрегатных состояний. Оно выравнивается с помощью заполняющей среды, откуда следуют конструктивные мероприятия для облицовки конструктивных объектов. Отсюда следуют, так как заполняющая среда захватывается носителем, по меньшей мере, два варианта осуществления. Во-первых, замкнутый кругооборот заполняющей среды, который с помощью устройства возврата после извлечения носителя на высоте h направляет ее снова в распоряжение испарителя, во-вторых, открытая система, в которой заполняющая среда извне с помощью захвата засасывается внутрь сооружения и после использования выпускается наружу.

Дальнейшее рассмотрение способа и/или устройства для получения энергии показывает другую выгоду. В качестве побочного эффекта изменения агрегатного состояния используемого вещества получается в зависимости от его состава фракционированная дистилляция. Если, например, в качестве носителя в открытом проходе в способе и/или устройстве для получения энергии применяется морская вода, то происходит испарение простой воды, растворенные газы высвобождаются и выделяются соли. В области конденсации на высоте h будет в этом случае присутствовать преимущественно чистая вода, которая здесь с помощью полученной энергии уже без другого промежуточного этапа с помощью насоса доставлялась бы на высоту h. Из этого снова получаются разносторонние возможности применения и осуществления (ключевые слова: питьевая вода, получение воды, орошение). Если, например, берется производственная вода или сточные промышленные или бытовые воды, то использование производственной воды сопровождается получением присутствующих в воде веществ.

В других формах осуществления надо в качестве варианта специально остановиться на теплоте испарения или энтальпии испарения соответствующего носителя, которая в виде скрытой теплоты должна иметься при изменении агрегатного состояния от жидкого/твердого состояния в газообразное, которая потом при обратном переходе, называемая сублимационной или конденсационной теплотой, снова высвобождается. Собственно она при варианте с помощью уже описанного выше транспорта по возврату с помощью холодильного агрегата доставляется снова в область изменения агрегатного состояния из жидкого/твердого состояния в газообразное (см. фиг.3). Это ведет к тому, что во время работы извне в испаритель должна привноситься дополнительно только потерянная энергия. Сюда же относится также отобранная полезная энергия. В целом эти формы осуществления имеют преимущество, заключающееся в существенно меньших строительных затратах для получения энергии.

В другой форме осуществления вышеназванные сети с помощью конструктивных параметров и расположения областей охлаждения и расположения холодильного агрегата представляются в виде, например, сетей из шлангов, через которые пропускается средство охлаждения (= транспортирующее средство).

В другой форме осуществления обратное получение теплоты испарения и с этим конденсата улучшается с помощью внесенного распыленного или вносимого в виде капель конденсата, который в другой форме осуществления был охлажден прежде с помощью холодильного агрегата. В другой форме осуществления конденсат может заменяться веществами, которые способствуют собственно физическому эффекту. (Пример: в случае воды в качестве носителя внесенным веществом для улучшения конденсации могло бы быть масло. Это дало бы преимущество в виде простой сепарации обеих веществ).

Для всех веществ носитель (носители), транспортирующая среда (среды), заполняющая среда (среды), видов энергии (теплоты), электрической энергии, механической энергии, ветра, энергии движения и агрегатных состояний в способе и/или устройстве предлагаются конструктивные решения с замкнутой кругооборотом, а также с открытой циркуляцией.

Транспортирующие среды, которые используются в этом способе и/или устройстве, выполняют, как, например, катализаторы в химических реакциях, только функциональные вспомогательные задачи, но которые опять же необходимы для представления соответствующих форм осуществления. Например, возврат тепла, получаемого в холодильном агрегате, обратно в испаритель организуется в виде варианта через замкнутый кругооборот транспортирующей среды. Транспортирующая среда в этом процессе может также мешать изменению агрегатного состояния, но это не должно происходить. Это был бы случай, когда эта часть формы осуществления реализуется равным образом как "Heat pipe". В другой форме осуществления, в качестве транспортирующей тепло среды, например, для имеющей высокую точку кипения жидкости (например, растительное или минеральное масло или соляной расплав и т.д.) применяется газ, который не изменяет своего агрегатного состояния под воздействием тепла, получаемого в холодильном агрегате.

Тепловая энергия, которая требуется для работы этого способа и/или устройства, может происходить из любого источника. Это, например, Земля (тепло Земли), вода (тепло воды), воздух (тепло воздуха), ископаемые теплоносители (газ, нефть, уголь, сжиженный метан и т.д.), ядерный энергоноситель (синтез или расщепление) или солнце (солнечная энергия).

В других формах осуществления сооружение высотой h (= дымовая труба) совпадает с устройством для получения энергии/тепла, что ощутимо снижает затраты и при этом стоимость при строительстве и подготовке. Физическим/техническим фоном для этого являются соображения, что энергия, необходимая для транспортировки носителя на высоту с помощью эффекта дымовой трубы, не обязательно должна подаваться в испарительную камеру, т.е. концентрироваться в ней, (фиг.1) (следствие: необходимы высокие температуры), а может распределяться по высоте сооружения высотой h (следствие: необходимы лишь небольшие температуры). Т.е. только так много тепла на метр высоты, сколько безусловно необходимо. Таким образом, если устройство для получения энергии/тепла, например, в случае солнечного коллектора осуществлено таким образом, то коллектор и сооружение совпадают по высоте. В любом другом случае, в котором точно также имеют место только более низкие исходные температуры для энергии испарения или транспортировки, действительно аналогичное решение. Таким образом, для этих форм осуществления получается основная реализация способа со следующими технологическими позициями: позиция испарителя с неизбежно достаточной энергией транспортировки для преодоления высоты h, позиция получения и приложения энергии (тепла) с целью транспорта носителя для получения потенциальной энергии и компенсирования потерь (носитель выполняет здесь также одновременно функцию транспортирующей среды для возможного во времени избыточного получения энергии), позиция конденсирования и возврата скрытой энергии, той самой скрытой энергией является теплота испарения, как и теплота носителя после достижения высоты h, которая снова направляется в испаритель, как и позиция получения энергии, и позиция возврата носителя в испаритель. Также и здесь все названные выше варианты осуществления возможны для целей получения питьевой воды или очистки сточных вод и т.д., а также возможны открытые и замкнутые виды кругооборота (см. также фиг.3).

Энергия и/или энергоносители, в которых мы, люди, нуждаемся для преобразования нашей среды, может представлять электрическую энергию или химические энергоносители, или физические энергоносители, например, водород и кислород из электролиза, или даже энергию накачки, как энергию для дистилляции.

Преимущество этого способа и/или устройства для получения энергии в случае использования входящих энергоносителей, таких как тепло Земли, тепло воздуха или воды, а также солнечной энергии, заключается в полном отсутствии выбросов веществ, загрязняющих окружающую среду.

Для уточнения:

- Представленный здесь способ и/или устройство для получения энергии не является электростанцией, работающей на восходящих потоках, (электростанции, работающие на восходящих потоках, принадлежат к группе тепловых электростанций. Электростанция, работающая на восходящих потоках, не является обязательной составной частью этой, представленной здесь электростанции.

- Представленный здесь способ и/или устройство для получения энергии не является электростанцией, использующей теплоту морской воды. Теплота морской воды является только решением, относящимся к источнику энергии.

- Представленный здесь способ и/или устройство для получения энергии не является геотермической электростанцией. Теплота Земли является только лишь решением, относящимся к источнику энергии.

В случае использовании тепла Земли в качестве источника энергии можно задуматься об использовании существующих шахт - например, в Рурской области. Таким образом, могут быть минимизированы начальные затраты для развития и одновременно сокращается время строительства до пуска в эксплуатацию. При этом получение тепла происходило бы в штольнях, а стволы были бы сооружениями высотой h и на земной поверхности имелась бы тогда дополнительная возможность аккумулирования конденсата, что могло бы служить в качестве "аккумулирующей электростанции" для регулирования и обслуживания распределения пиковых нагрузок.

На фиг.5 показана блок-схема другого предложенного согласно изобретению устройства. Устройство соответствует устройству, описание которого было сделано в отношении фиг.4. Однако здесь был дополнительно установлен элемент 45 для преобразовании энергии, производства тепла и аккумулирования тепла, который расположен между турбиной 35 и/или генератором 42 с одной стороны и испарителем 32 с другой стороны. Такое устройство может служить образцом для следующих вариантов осуществления.

В другом варианте осуществления способа и/или устройства для получения энергии энергия, полученная способом и/или устройством в форме тепла, подается в аккумулятор 45 (фиг.5). Отсюда тепло при потребности может снова направляться в кругооборот для получения энергии. Этот аккумулятор тепла в качестве среды для аккумулирования в различных формах исполнения может иметь железо или другой металл, или просто состоять из камня (например, базальта, гранита, мрамора, шамота и т.д.), или же состоять из жидкости, например, рассола, расплава соли, или же расплава металла.

Преимущество этого рода промежуточного аккумулирования заключается в достигаемой значительно более высокой концентрации энергии в сравнении с аккумулированием носителя и таким образом веса на большой высоте, что ведет к существенно меньшим затратам. Одновременно благодаря этому возникает возможность перманентного подвода тепла в процесс испарения, что в некоторых вариантах осуществления ведет к тому, что в сооружении не создается какого-либо разрежения; а это дает некоторое преимущество при строительстве.

Производственная мощность этого способа показывается на примере 365 аккумуляторов теплоты из базальта (0,84 кДж/кг·K, 3000 кг/м³), которые нагреваются на 600°C и имеют объем 300×300×300 м³. Аккумулированное количество тепла составляет около 15000 пета джоулей, что округленно соответствует годовой потребности ФРГ в первичной энергии в 2005 году. Это количество тепла может быть произведено с помощью представленного здесь способа и/или устройства для получения энергии и иметься в наличии с целью использования в других энергоносителях.

В другой форме осуществления способа и/или устройства для получения энергии транспорт по возврату тепла, как и возобновленная подача тепла для испарения, так и в качестве варианта доставка основного тепла носителя, реализуется через соответственно теплообменники. Они соответственно рационально соединены друг с другом (фиг.6). Итак: один теплообменник собирает энергию из пара или конденсата носителя - он представлен холодильным агрегатом - и передает ее транспортирующей среде. Второй эту собранную энергию отдает в испаритель снова носителю с целью испарения - в этом случае он представлен испарителем. Эти теплообменники в различных формах исполнения могут быть пассивными (= теплообменники со встречными потоками, попутными потоками, перекрещивающимися потоками) или активными (= тепловые насосы).

Если в варианте осуществления для транспорта тепла применяются предпочтительно пассивные теплообменники, в этом случае нужно, так как пассивные теплообменники не идеальны, в форме осуществления интегрировать, по меньшей мере, один другой активный теплообменник для передачи не переданного пассивными теплообменниками остаточного тепла с целью доставки его в процесс испарения, или же в другом варианте осуществления это остаточное тепло направить в окружающую способ и/или устройство для получения энергии среду, а в этом случае снова потребуется компенсировать эту часть тепла увеличенным подводом энергии извне в процесс испарения. Интегрирование этого активного теплообменника осуществляется из рациональных соображений, но обязательно на месте испарителя, где пути передачи этого остаточного тепла в процесс испарения будут самыми короткими.

На примере (фиг.6) показан тепловой поток: принимаем, что теплообменники это теплообменники - со встречными потоками, и носитель, и транспортирующая среда - это вода, причем температура поступления транспортирующего средства в охладитель (60) составляет 70°C, температура истечения 100°C, температура пара носителя при поступлении встречного потока 102°C и на нисходящем потоке 72°C, таким образом температура поступления транспортирующей среды в испаритель составляет 100°C и снова встречается с носителем при температуре 72°C. Теперь допустим, что этот пассивный теплообменник со встречными потоками испарителя (62) имеет такие же параметры, как у теплообменника охладителя. В этом случае в исходящем потоке носитель имеет температуру 98°C и транспортирующую среда 74°C. Одновременно этот пассивный теплообменник может отводить только часть энергии промежуточным образом аккумулированной в транспортирующей среде, таким образом, нужно, чтобы достичь необходимой для работы температуры поступления 70°C, активно отводить оставшееся тепло и в результате температура транспортирующей среды опускается еще на 4°C. Это осуществляется в этом случае с помощью теплового насоса (61) (= принцип холодильника), причем тепло накачивается таким рациональным образом, что оно снова для целей испарения может быть направлено в процесс испарения.

Разумеется, что описанные варианты осуществления являются только примерами, которые в рамках формулы изобретения могут разносторонне модифицироваться и/или дополняться.

Изобретение относится к энергетике, а именно к системам преобразования тепловой энергии. Способ преобразования энергии включает преобразование негазообразного носителя в газообразный носитель с использованием тепловой энергии, образование восходящих потоков, обратное превращение газообразного носителя на заданной высоте в негазообразный носитель путем охлаждения газообразного носителя с помощью транспортирующей среды, преобразование потенциальной энергии негазообразного носителя и использование нагревания транспортирующей среды, происходящее при охлаждении носителя, чтобы внести долю при помощи теплового насоса в используемую тепловую энергию. Устройство для преобразования энергии содержит полое пространство для изменения агрегатного состояния, коллектор для сбора негазообразного носителя с холодильным агрегатом, устройство для преобразования энергии и трубопровод для возврата тепла. Через холодильный агрегат протекает транспортирующая среда и охлаждает газообразный носитель, превращая его обратно в негазообразный носитель. Трубопровод для возврата тепла обеспечивает направление при помощи теплового насоса транспортирующей среды, нагретой при охлаждении носителя, в приспособление для изменения агрегатного состояния. Система для преобразования энергии содержит предлагаемое устройство для преобразования энергии и устройство, которое выполнено с возможностью получения тепловой энергии для него. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования имеющейся тепловой энергии в желаемый вид энергии. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ преобразования энергии, включающий:
a) преобразование негазообразного носителя в газообразный носитель с использованием тепловой энергии, причем газообразный носитель образует восходящие потоки и получает потенциальную энергию;
b) обратное превращение газообразного носителя на заданной высоте в негазообразный носитель охлаждением газообразного носителя с помощью транспортирующей среды;
c) преобразование потенциальной энергии вновь полученного негазообразного носителя в другой вид энергии; и
d) использование нагревания транспортирующей среды, происходящее при охлаждении носителя, чтобы внести долю при помощи теплового насоса в используемую тепловую энергию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительную тепловую энергию вводят в носитель и распределяют по высоте, которую преодолевает газообразный носитель.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что вносимая тепловая энергия может быть геотермальным теплом, теплом воды, воздуха, энергией ископаемых носителей, носителей ядерной энергии и/или солнечной энергией.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют с помощью того, что транспортирующую среду пропускают через области охлаждения, расположенные на заданной высоте.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для поддержания обратного превращения непосредственно в носитель вводят вещество.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что вновь полученный негазообразный носитель промежуточным образом аккумулируют перед преобразованием полученной потенциальной энергии носителя в другой вид энергии.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для преобразования потенциальной энергии носителя в другой вид энергии потенциальную энергию сначала преобразуют в кинетический вид энергии за счет падения вновь полученного негазообразного носителя с большей высоты на меньшую высоту, а затем кинетическую энергию преобразуют в другой вид энергии.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что потенциальную энергию преобразуют в механическую энергию, электрическую энергию, в энергию для создания химических энергоносителей и/или энергию для создания физических энергоносителей.

9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что вновь полученный негазообразный носитель промежуточным образом аккумулируют после преобразования потенциальной энергии в другой вид энергии.

10. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что вновь полученный негазообразный носитель после преобразования потенциальной энергии в другой вид энергии направляют дальше, по меньшей мере, частично в замкнутый кругооборот, который продолжается с этапом a).

11. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что негазообразный носитель на этапе a) благодаря превращению в газообразный носитель подвергают дистилляции, и дистиллированный вновь полученный негазообразный носитель, по меньшей мере, частично отбирают перед или после преобразования потенциальной энергии в другой вид энергии.

12. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что газообразный носитель образует восходящие потоки в полом пространстве, которое включает заполняющую среду, которая захватывается носителем.

13. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для преобразования потенциальной энергии носителя в другой вид энергии вновь полученному негазообразному носителю обеспечивают возможность падать с большей высоты на меньшую высоту для приведения в движение турбины, установленной на меньшей высоте.

14. Устройство для преобразования энергии, содержащее: полое пространство; приспособление для изменения агрегатного состояния, расположенное на нижнем конце полого пространства и выполненное с возможностью превращения негазообразного носителя в газообразный носитель за счет использования тепловой энергии, так что носитель образует в полом пространстве восходящие потоки и получает потенциальную энергию; коллектор, расположенный на верхнем конце полого пространства и выполненный с возможностью сбора негазообразного носителя, вновь полученного из газообразного носителя, причем коллектор содержит холодильный агрегат, обеспечивающий протекание через него транспортирующей среды для охлаждения газообразного носителя и превращения его обратно в негазообразный носитель; а также содержит устройство для преобразования энергии, выполненное с возможностью преобразования потенциальной энергии вновь полученного негазообразного носителя в другой вид энергии; и трубопровод для возврата тепла, выполненный с возможностью направления при помощи теплового насоса транспортирующей среды, нагретой при охлаждении носителя, в приспособление для изменения агрегатного состояния для повышения эффективности использования тепловой энергии.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что дополнительно содержит элемент для подачи энергии, выполненный с возможностью подачи тепловой энергии с распределением по высоте полого пространства.

16. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что дополнительно содержит элемент для получения энергии, выполненный с возможностью получения используемой тепловой энергии геотермальных источников, тепла воды, воздуха, энергии ископаемых носителей, носителей ядерной энергии и/или солнечной энергии.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что холодильный агрегат имеет области охлаждения, через которые для охлаждения газообразного носителя пропускается транспортирующая среда.

18. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что коллектор имеет средство для введения вещества непосредственно в носитель для поддержания обратного превращения газообразного носителя в негазообразный носитель.

19. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что дополнительно содержит промежуточный аккумулятор для промежуточного аккумулирования вновь полученного негазообразного носителя перед преобразованием потенциальной энергии носителя в другой вид энергии.

20. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что устройство преобразования энергии включает участок для падения, выполненный для преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию при падении вновь полученного негазообразного носителя с большей высоты на меньшую высоту, а также преобразователь энергии, сформированный для преобразования кинетической энергии в другой вид энергии.

21. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что устройство для преобразования энергии выполнено с возможностью преобразования потенциальной энергии вновь полученного негазообразного носителя в механическую энергию, в электрическую энергию, в энергию для получения химического энергоносителя или в энергию для получения физического энергоносителя.

22. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что дополнительно содержит промежуточный аккумулятор для промежуточного аккумулирования вновь полученного негазообразного носителя после преобразования потенциальной энергии в другой вид энергии.

23. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что устройство для преобразования энергии располагают таким образом, что вновь полученный негазообразный носитель после преобразования потенциальной энергии в другой вид энергии снова подают к приспособлению для изменения агрегатного состояния, расположенного на нижнем конце полого пространства.

24. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что негазообразный носитель подвергается дистилляции при превращении в газообразный носитель, причем дополнительно предусмотрено присоединение для отбора, выполненное с возможностью, по меньшей мере, частичного отбора вновь полученного негазообразного носителя перед преобразованием или после преобразования потенциальной энергии в другой вид энергии.

25. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что полое пространство содержит заполняющую среду, которая захватывается носителем.

26. Устройство по одному из пп.14 или 15, отличающееся тем, что устройство для преобразования энергии содержит участок для падения, выполненный с возможностью обеспечения падения вновь полученного негазообразного носителя с большей высоты на меньшую высоту, причем устройство для преобразования энергии содержит турбину, установленную на меньшей высоте и выполненную с возможностью привода падающим носителем.

27. Система для преобразования энергии, содержащая устройство по п.14 или 15 и, по меньшей мере, одно устройство, которое выполнено с возможностью получения тепловой энергии для устройства по п.14 или 15.