RU2702982C1

RU2702982C1 - Method of producing electricity when streamlining a heated body by pyroelectric heat conversion in a vortex wake

Info

Publication number: RU2702982C1
Application number: RU2018143529A
Authority: RU
Inventors: Константин Геннадьевич Добросельский; Анатолий Сергеевич Лебедев; Владимир Андреевич Антипин; Пётр Владимирович Юдин
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2019-10-14

Abstract

FIELD: heating equipment.

SUBSTANCE: invention relates to heat engineering and can be used in power engineering, including alternative, microelectronics and ecology, when using and converting low-grade heat directly into electricity. Set task is solved by the fact that in method of receiving electricity at streamlining around heated body due to pyroelectric conversion of heat in vortex wake, at which, when the heated body is streamlined with gas or liquid streams behind it, a vortex trace is formed, into which an electric generator is placed to obtain electric energy, according to the invention, a pyroelectric generator is placed in the vortex trail for direct conversion of thermal pulsations to electric energy, as streamlined heated bodies there used are obstacles of different configuration, and the surface of the streamlined body is heated due to the flow of liquid or gas passing in it.

EFFECT: design of a new efficient method of converting low-grade heat directly into electricity.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в области энергетики, в том числе альтернативной, микроэлектроники и экологии, при использовании и преобразовании низкопотенциального тепла напрямую в электричество. Изобретение может быть использовано в научно-исследовательских работах по экспериментальному исследованию гидродинамических неизотермических течений, используя пироэлектрическое преобразование тепла и пироэлектрический эффект различных материалов.The invention relates to heat engineering and can be used in the field of energy, including alternative, microelectronics and ecology, when using and converting low-grade heat directly into electricity. The invention can be used in scientific research on the experimental study of hydrodynamic non-isothermal flows using the pyroelectric heat conversion and the pyroelectric effect of various materials.

Рассеянная в окружающей среде тепловая энергия в настоящее время является предметом повышенного интереса в результате растущих энергетических потребностей, и, как средство для создания автономных систем с автономным питанием.The thermal energy dissipated in the environment is currently of great interest as a result of growing energy needs, and as a means to create autonomous systems with autonomous power.

Тепло от окружающей среды остается почти повсеместным и обильным источником энергии, которая часто теряется, как низкопотенциальное тепло (~25-200°C). Отработанное тепло относится к энергии, выделяемой в качестве побочного продукта; охлаждения, или циклов теплового насоса. Его часто выпускают в атмосферу, реки, океаны или в виде горячих газов, горячей воды.Heat from the environment remains an almost universal and plentiful source of energy, which is often lost as low-grade heat (~ 25-200 ° C). Waste heat refers to the energy released as a by-product; cooling, or heat pump cycles. It is often released into the atmosphere, rivers, oceans or in the form of hot gases, hot water.

К сожалению, меньше всего решений существует для преобразования среднего и низкого класса тепловых отходов в пригодные для использования формы энергии. Если отработанное тепло может быть эффективно переработано в полезные формы энергии, оно может выступать в качестве потенциального источника для удовлетворения растущего спроса на энергию. Менее широко исследуемая территория - пироэлектрический сбор энергии, в котором колебания температуры преобразуются в электрическую энергию, хотя, возможность для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с использованием сегнетоэлектрических материалов была рассмотрена достаточно давно.Unfortunately, the fewest solutions exist for converting medium and low class thermal waste into usable forms of energy. If waste heat can be efficiently converted into usable forms of energy, it can act as a potential source to meet the growing demand for energy. A less widely studied area is pyroelectric energy collection, in which temperature fluctuations are converted into electrical energy, although the possibility of converting thermal energy into electrical energy using ferroelectric materials has been considered for a long time.

Создание устройств пироэлектрического преобразования тепла тормозится малой их эффективностью, и соответственно КПД. Известен способ преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью пироэлектрических преобразователей, при котором пироэлектрический элемент попеременно соприкасается с нагретым и холодным телом [Ravindran S.K.T., Kroener M., Woias P. A standalone pyroelectric harvester for thermal energy harvesting. PowerMEMS 2012, Atlanta, GA, USA, December 2-5, 2012]. В экспериментах при разности температур тел 85 К было получена мощность 15,7 мкВт.The creation of pyroelectric heat conversion devices is inhibited by their low efficiency, and, accordingly, efficiency. A known method of converting thermal energy into electrical energy using pyroelectric converters, in which the pyroelectric element is alternately in contact with a heated and cold body [Ravindran S.K.T., Kroener M., Woias P. A standalone pyroelectric harvester for thermal energy harvesting. PowerMEMS 2012, Atlanta, GA, USA, December 2-5, 2012]. In experiments, at a temperature difference of bodies of 85 K, a power of 15.7 μW was obtained.

Однако с ростом минимизации и при интеллектуальном управлении микроэлектроникой пироэлектрический эффект возможно использовать для микродатчиков и источников длительного питания.However, with the growth of minimization and with the intelligent control of microelectronics, the pyroelectric effect can be used for microsensors and continuous power sources.

В системах вентиляции, охлаждения при обтекании различных нагретых элементов воздушными потоками возникают вихревые структуры, которые создают пульсации температуры в определенных местах в своем следе. Эти пульсации температуры возможно использовать в качестве источника пироэлектрического эффекта для получения электричества малой мощности.In ventilation systems, cooling during the flow of various heated elements by air currents, vortex structures arise that create temperature pulsations in certain places in their wake. These temperature pulsations can be used as a source of pyroelectric effect to produce low-power electricity.

Известно устройство (патент ЕР 2953259, H02N 2/18, 2015 г.), которое в основном состоит из пьезоэлектрического элемента, соответствующим образом прикрепленного к аэродинамическому придатку, имеющему особый размер по форме и механическим характеристикам для использования специфического эффекта потока воздуха (в частности, один из эффектов, которые в техническом отношении называются «разрывы вихрей», «флаттер», или «вибрации, вызванные турбулентным потоком») для производства электрической энергии.A device is known (patent EP 2953259, H02N 2/18, 2015), which mainly consists of a piezoelectric element appropriately attached to an aerodynamic appendage having a special size in shape and mechanical characteristics to use the specific effect of the air flow (in particular, one of the effects that are technically called “vortex breaks”, “flutter”, or “vibrations caused by turbulent flow”) to produce electrical energy.

Известно решение (Weinstein L.A., Cacan M.R., So P.M., Wright P.K. Vortex shedding induced energy harvesting from piezoelectric materials in heating, ventilation and air conditioning flows // Smart Mater. Struct. 2012. V. 21. 045003) и решение (Alhadidi A.H., Daqaq M.F.A broadband bi-stable flow energy harvester based on the wake-galloping phenomenon // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. 033904), где показана возможность получения пьезоэлектричества малой мощности в узком диапазоне скоростей при специальных конструкциях. В первом решении приводится способ преобразования энергии с помощью пьезоэлектрика. Способ заключается в том, что за обтекаемым воздушным потоком цилиндрическим препятствием возникают вихревые структуры типа дорожки Кармана, которые приводят к возникновению колебаний давления в следе. На расстоянии 2-5 калибров (диаметров), где возникают максимальные колебания, располагают пластину, воспринимающую эти колебания. На этой пластине, в месте максимальной деформации крепится пьезопреобразователь, который преобразует деформацию пластины в электричество. Устройство работает в области 16-40 Гц с максимумом порядка 20 Гц. Во втором решении способ формирования вихрей имеет ту же самую физическую природу. Но для усиления колебаний воспринимающей пластины используются магниты, сохраняющие неустойчивое состояние пластины с прикрепленным пьезопреобразователем.A solution is known (Weinstein LA, Cacan MR, So PM, Wright PK Vortex shedding induced energy harvesting from piezoelectric materials in heating, ventilation and air conditioning flows // Smart Mater. Struct. 2012. V. 21. 045003) and a solution (Alhadidi AH , Daqaq MFA broadband bi-stable flow energy harvester based on the wake-galloping phenomenon // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. 033904), where the possibility of obtaining low-power piezoelectricity in a narrow speed range with special designs is shown. The first solution provides a method for converting energy using a piezoelectric. The method consists in the fact that vortex structures such as Karman’s paths arise behind a streamlined cylindrical obstacle that cause pressure fluctuations in the wake. At a distance of 2-5 calibers (diameters), where the maximum fluctuations occur, a plate is placed that perceives these vibrations. On this plate, in the place of maximum deformation, a piezoelectric transducer is mounted, which converts the deformation of the plate into electricity. The device operates in the region of 16-40 Hz with a maximum of about 20 Hz. In the second solution, the method of forming vortices has the same physical nature. But to enhance the vibrations of the receiving plate, magnets are used that preserve the unstable state of the plate with the piezoelectric transducer attached.

Наиболее близким по существенным признакам является устройство (патент CN 107707153, H02N 2/18, 2018 г.). Изобретение раскрывает пьезоэлектрическое устройство генерирования электроэнергии на основе турбулентного потока, который обтекает цилиндрическое тело.The closest in essential features is the device (patent CN 107707153, H02N 2/18, 2018). The invention discloses a piezoelectric device for generating electricity based on a turbulent flow that flows around a cylindrical body.

В приведенном выше устройстве получения электричества на основе пьезопреобразования с использованием колебаний давления в следе обтекаемого цилиндрического тела основным недостатком является относительная сложность создания определенных условий для формирования потоков, двухступенчатое преобразование энергии от потока к механической и далее к электрической энергии. Для достижения максимальной эффективности используют устройства усиления механической деформации пьезоэлемента, что приводит к существенному усложнению конструкции преобразователя. В частности используют магнитный узел для усиления бистабильного состояния пьезопреобразователя.In the above device for generating electricity based on piezoelectric conversion using pressure fluctuations in the wake of a streamlined cylindrical body, the main disadvantage is the relative complexity of creating certain conditions for the formation of flows, two-stage conversion of energy from flow to mechanical and then to electrical energy. To achieve maximum efficiency, devices are used to enhance the mechanical deformation of the piezoelectric element, which leads to a significant complication of the design of the transducer. In particular, a magnetic assembly is used to enhance the bistable state of the piezoelectric transducer.

Основной недостаток известных решений заключается в узкой полосе частот сбора энергии с дополнительными элементами усиления деформаций для преобразования колебаний давления в вихревом следе в механическую энергию, низкой эффективности электромеханических преобразований пьзоэлектрических устройств.The main disadvantage of the known solutions lies in the narrow frequency band of energy collection with additional strain reinforcing elements for converting pressure fluctuations in the vortex wake into mechanical energy, low efficiency of electromechanical transformations of piezoelectric devices.

Задачей изобретения является создание нового эффективного способа преобразования низкопотенциального тепла напрямую в электричество.The objective of the invention is to create a new effective method for converting low-grade heat directly into electricity.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения электричества при обтекании нагретого тела за счет пироэлектрического преобразования тепла в вихревом следе, при котором при обтекании нагретого тела потоками газа или жидкости за ним образуется вихревой след, в который помещают электрогенератор для получения электрической энергии, согласно изобретению, в вихревой след помещают пироэлектрический генератор для прямого преобразования тепловых пульсаций в электрическую энергию, в качестве обтекаемых нагретых тел используют препятствия различной конфигурации, а поверхность обтекаемого тела нагревается за счет проходящего в нем технологического потока жидкости или газа.The problem is solved in that in the method of generating electricity by flowing around a heated body due to the pyroelectric conversion of heat in a vortex wake, in which when flowing around a heated body by gas or liquid flows, a vortex wake forms behind it, into which an electric generator is placed to receive electric energy, according to the invention , a pyroelectric generator is placed in a vortex wake for direct conversion of thermal pulsations into electrical energy, pre-flowing streamlined bodies are used stakes of various configurations, and the surface of the streamlined body is heated due to the process flow of liquid or gas passing in it.

Поверхность обтекания нагревается, и в следе возникают колебания температуры, которые напрямую преобразуются в электричество посредством пироэлектрического эффекта в пиро-(пьезо)материалах. Пироэлектрический преобразователь (пирогенератор) в следе обтекаемого тела устанавливается неподвижно, поэтому механические колебания отсутствуют, и не требуется согласования механических частот пластины преобразователя и частоты воздействия вихрей. В предлагаемом изобретении пирогенератор работает во всем диапазоне возникновения вихревых структур (колебаний температур).The flow surface heats up, and temperature fluctuations occur in the wake, which are directly converted into electricity by means of the pyroelectric effect in pyro- (piezo) materials. The pyroelectric transducer (pyrogenerator) in the wake of the streamlined body is installed motionlessly, so there are no mechanical vibrations, and the coordination of the mechanical frequencies of the transducer plate and the frequency of the action of the vortices is not required. In the present invention, the pyrogenerator operates in the entire range of occurrence of vortex structures (temperature fluctuations).

На фиг. 1 представлен вид устройства для осуществления способа получения электричества при обтекании нагретого тела за счет пироэлектрического преобразования тепла в вихревом следе, где:In FIG. 1 is a view of a device for implementing a method of generating electricity when flowing around a heated body due to pyroelectric heat conversion in a vortex wake, where:

1 - нагретое тело;1 - heated body;

2 - пироэлектрический генератор;2 - pyroelectric generator;

3 - крепление пироэлектрического генератора.3 - mount pyroelectric generator.

На фиг. 2 показана эквивалентная схема пироэлектрического генератора и измерение напряжения на типовой нагрузке R_L.In FIG. 2 shows an equivalent circuit of a pyroelectric generator and voltage measurement at a typical load R _L.

На фиг. 3 приведена таблица данных эксперимента (через запятую для 5 и 3 пироэлектрических элементов соответственно).In FIG. Figure 3 shows the table of experimental data (separated by commas for 5 and 3 pyroelectric elements, respectively).

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

При обтекании нагретого тела 1 потоками газа или жидкости за ними образуются вихревые структуры типа дорожки Кармана. Вихревые структуры (вихри) имеют отличную от внешнего потока температуру. Такие нагретые вихри создают пульсации тепла (температуры) в определенных местах за телом обтекания. Первая вихревая структура формируется за телом на расстоянии примерно 1-1,5 диаметра и здесь будет максимальная с внешним потоком разность температур. В этом месте устанавливается пирогенератор 2, который преобразует тепловую энергию в электрическую. Пирогенератор 2 состоит из нескольких пироэлементов. Количество пироэлементов зависит от их размеров, взаимного расположения и размера обтекаемого тела. При использовании нагретых цилиндрических тел (труб), за ними образуется след, состоящий из двух вихревых дорожек, в которые помещаются 2 пиролектрических генератора.During the flow of gas or liquid around the heated body 1, vortex structures such as the Karman path are formed behind them. Vortex structures (vortices) have a temperature different from the external flow. Such heated vortices create heat (temperature) pulsations in certain places behind the flow body. The first vortex structure is formed behind the body at a distance of about 1-1.5 diameters and there will be a maximum temperature difference with the external flow. At this point, a pyrogen generator 2 is installed, which converts thermal energy into electrical energy. Pyrogenerator 2 consists of several pyroelements. The number of pyroelements depends on their size, relative position and size of the streamlined body. When using heated cylindrical bodies (pipes), a trace is formed behind them, consisting of two vortex paths in which 2 pyroelectric generators are placed.

Промышленная применимость.Industrial applicability.

Были проведены экспериментальные исследования в аэродинамическом канале. Аэродинамический канал содержит осевой вентилятор, который подает воздух в канал, камеру формирования профиля скорости с хонейкомбом и конфузором, рабочий участок, диффузор и вытяжную систему. Рабочий участок установки, изготовленный из оргстекла, имеет форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным поперечным внутренним сечением 0,125×0,125 м² и длиной 1 м. Управляющий блок позволяет плавно менять вращение вентилятора, обеспечивая поддержание средней скорости ядра потока в рабочем участке в диапазоне 0,5-30 м/с.Experimental studies were conducted in the aerodynamic channel. The aerodynamic channel contains an axial fan that supplies air to the channel, a velocity profile forming chamber with a honcomomb and a confuser, a working section, a diffuser and an exhaust system. The working section of the installation made of plexiglas has the shape of a rectangular parallelepiped with a square cross-section of 0.125 × 0.125 m ² and a length of 1 m. The control unit allows you to smoothly change the rotation of the fan, while maintaining the average speed of the flow core in the working section in the range of 0.5- 30 m / s

В рабочий участок помещалась горизонтально дюралевая трубка с внешним диаметром 31 мм и толщиной стенок 2 мм. Цилиндр обтекался потоком воздуха комнатной температуры при различной скорости. За цилиндром при его обтекании возникают вихревые структуры типа дорожки Кармана, которые асимметрично квазипериодически сходят с верхней и нижней части. Частота схода этих вихрей (без нагрева) определяется из числа Струхаля, величина которого составляет Sh≈0,2 для широкого интервала чисел Рейнольдса Re≈2⋅10²-2⋅10⁵. В этом же диапазоне чисел Рейнольдса коэффициент сопротивления цилиндра не меняется и составляет порядка 1. Из скорости потока v, диаметра цилиндра D можно определить частоту схода вихрей с поверхности цилиндра: f_Sh=(Sh×v)/D=0,18v/D.A horizontal dural tube with an external diameter of 31 mm and a wall thickness of 2 mm was placed in the working section. The cylinder was surrounded by a stream of room temperature air at various speeds. Vortex structures such as the Karman track, which asymmetrically quasi-periodically descend from the upper and lower parts, arise behind the cylinder when it flows around it. The vanishing frequency of these vortices (without heating) is determined from the Strouhal number, whose value is Sh≈0.2 for a wide range of Reynolds numbers Re≈2⋅10 ² -2⋅10 ⁵ . In the same range of Reynolds numbers, the coefficient of resistance of the cylinder does not change and is of the order of 1. From the flow velocity v, the diameter of the cylinder D, we can determine the frequency of the vortex vanishing from the cylinder surface: f _Sh = (Sh × v) / D = 0.18v / D.

Для получения пульсаций температуры в вихревом следе за цилиндром внутрь трубки помещался омический нагреватель, мощность которого можно было менять с помощью ЛАТР. Температура на поверхности тела измерялась термопарой с подветренной стороны потока. Электрическая мощность нагревателя в трубке была постоянной и равна 330 Вт.To obtain temperature pulsations in the vortex wake behind the cylinder, an ohmic heater was placed inside the tube, the power of which could be changed using the LATR. The temperature on the surface of the body was measured with a thermocouple on the leeward side of the stream. The electric power of the heater in the tube was constant and equal to 330 watts.

В качестве пироэлектрического генератора использовалась кассета из пяти пироэлементов (фиг. 1), каждый из которых представляет собой пластинку, состоящую из бронзовой подложки диаметром 27 мм и толщиной 200 мкм с нанесенной на нее пьезокерамикой ЦТС (цирконат-титанат свинца) диаметром 20 мм и толщиной 220 мкм. Пироэлементы находились на расстоянии 2 мм друг от друга, и были соединены параллельно, имея каждый емкость С_р≈22 нФ, сопротивление R_p≈1 ГОм. Кассета с пироэлектриками устанавливалась на расстоянии 1-1,5D от цилиндра вниз по течению. Дополнительно были проведены измерения с кассетой из 3 пироэлектриков, расстояния между которыми были порядка 5 мм.A cassette of five pyroelements was used as a pyroelectric generator (Fig. 1), each of which is a plate consisting of a bronze substrate with a diameter of 27 mm and a thickness of 200 μm with a PZT piezoceramic (lead zirconate-titanate) deposited on it with a diameter of 20 mm and a thickness 220 microns. Pyroelements were located at a distance of 2 mm from each other, and were connected in parallel, having each capacitance C _p ≈ 22 nF, resistance R _p ≈ 1 GOhm. The pyroelectric cassette was installed at a distance of 1-1.5D from the cylinder downstream. Additionally, measurements were made with a cassette of 3 pyroelectrics, the distances between which were about 5 mm.

Были измерены температуры за цилиндром в следе и в свободном потоке в одном и том же сечении. Разница температур составила 25-35°С в зависимости от диапазона параметров, указанных в таблице (фиг. 3).The temperatures behind the cylinder in the wake and in the free flow in the same section were measured. The temperature difference was 25-35 ° C depending on the range of parameters indicated in the table (Fig. 3).

Измерения напряжения на нагрузке U_RL проводились цифровым осциллографом ADS-2061MV с входным сопротивлением R_L=1 МОм (фиг. 2). Было получено переменное напряжение со средней амплитудой U_a.The load voltage U _RL was measured with an ADS-2061MV digital oscilloscope with an input impedance of R _L = 1 MΩ (Fig. 2). An alternating voltage with an average amplitude of U _a was obtained.

В таблице (фиг. 3) приведены данные эксперимента, через запятую для 5 и 3 пироэлементов соответственно.The table (Fig. 3) shows the experimental data, separated by commas for 5 and 3 pyroelements, respectively.

Показана возможность получения пироэлектричества в вихревом следе обтекаемого нагретого тела без учета оптимальных режимов и конструкции устройства пирогенератора.The possibility of obtaining pyroelectricity in a vortex wake of a streamlined heated body without taking into account the optimal modes and design of the pyro-generator device is shown.

Преимущества предложенного способа:The advantages of the proposed method:

- прямое преобразование тепловых (температурных) пульсаций в электричество;- direct conversion of thermal (temperature) pulsations into electricity;

- использование коммерческой достаточно дешевой керамики в качестве материала пироэлемента;- the use of commercial enough cheap ceramics as a pyroelement material;

- простота конструкции;- simplicity of design;

- возможность использования пироэлементов в широком диапазоне частот, возможность использования большого количества их одновременно.- the ability to use pyroelements in a wide range of frequencies, the ability to use a large number of them simultaneously.

Способ позволяет получать электрическую энергию малой мощности из тепловых пульсаций при обтекании нагретых тел различной конфигурации, которые используются в вентиляционной и аэродинамической системах, в системах микроэлектроники для питания различных маломощных датчиков и накопления энергии в аккумуляторах.The method allows to obtain low-power electric energy from thermal pulsations when flowing around heated bodies of various configurations, which are used in ventilation and aerodynamic systems, in microelectronics systems to power various low-power sensors and store energy in batteries.

Claims

A method of generating electricity when flowing around a heated body due to the pyroelectric conversion of heat in a vortex wake, in which when flowing around a heated body by gas or liquid flows, a vortex wake forms behind it, into which an electric generator is placed to receive electric energy, characterized in that a pyroelectric is placed in the vortex wake a generator for the direct conversion of thermal pulsations into electrical energy, obstacles of various configurations are used as streamlined heated bodies, and NOSTA streamlined body is heated by passing it in a process fluid stream.