Термоелектричне джерело живлення

1 Термоелеісгричне джерело живлення, що складається з термобатареї, робочі спаї якої мають контакт з резервуарами, в яких знаходяться холодне і гаряче робочі тіла, сонячного колектора з радіатором, з допомогою яких нагрівається робоче тіло в резервуарі з теплим робочим тілом в денний час і охолоджується в резервуарі з холодним робочим тілом в нічний час, системи підводу тепла до резервуара з теплим робочим тілом і системи відведення тепла від резервуара з холодним робочим тілом, яке відрізняється тим, що з метою спрощення конструкції термоелектричного джерела живлення, збільшення його надійності та ресурсу роботи в автономному режимі без обслуговування, конструкція термоелектричного джерела живлення складається з розташованих у грунті теплоізольованих вологостійких резервуарів з теплим і холодним робочими тілами, колекторів тепла, які через теплопроводи контактують з теплим робочим тілом, причому одні з них розташовуються у приповерхневому шарі грунту(на глибині 2 - З см від його поверхні), а ІНШІ - на глибині, меншій за глибину проникнення добової температурної хвилі, теплообмінників, які через теплопроводи контактують з холодним робочим тілом, причому одні з них розміщуються в приповерхневому шарі грунту, а ІНШІ - на глибині, більшій за глибину проникнення добової температурної хвилі 2 Термоелектричне джерело живлення за п 1, яке відрізняється тим, що як робоче тіло в резервуарах використовують насичений розчин глауберової солі, а роль теплопроводів виконують теплові труби ДІОДНОІ Дії Винахід належить до термоелектричних приладів, зокрема до пристроїв, що генерують електроенергію з допомогою термогенераторів Він призначений для автономного довготривалого забезпечення постійним струмом елементів електроніки, для функціонування яких не потрібно великих потужностей Завдяки максимальній наближеності до споживача, простоті конструкції, надійності і практично необмеженому ресурсу роботи в автономному режимі такі термоелектричні джерела живлення можуть використовуватися в різних галузях народного господарства, науки і техніки топні джерела живлення невеликої потужності Однак, вони дорого коштують, є екологічно небезпечними і в останні роки практично не випускаються Аналогічними за призначенням є джерела живлення на базі термогенератора для утилізації низькопотенційного тепла, який працює за рахунок різниці температур морської води між її поверхнею і глибинними шарами [1] Таке джерело живлення включає в себе термобатарею з послідовно з'єднаними елементами, електроізолятори, металеві електроди, труби, по яких тепло передається від високотемпературного шару води до низькотемпературного, та систему споживання електроенергії, виробленої термобатареєю Відновлювальне термоелектричне джерело живлення такого типу дозволяє успішно утилізувати низькопотенційну теплову енергію води морів та океанів і перетворювати и в електроенергію, при цьому запаси такого тепла є необмеженими Проте таке джерело живлення також має ряд недоліків, до яких можна віднести дороговизну та складність установки і фіксації конструкції в конкретній точці В даний час ряд надзвичайно актуальних досліджень в метеорологи, наприклад, практично не проводиться через відсутність автономних джерел живлення з великим ресурсом роботи, а доставка та обслуговування у важкодоступних районах апаратури, що живиться автономними традиційними вже джерелами живлення, такими, як ЛІТІЄВІ та подібні їм батареї, пов'язана з великими фінансовими затратами, оскільки вимагає постійної їх заміни Альтернативою їм можуть служити радіоізо СО сч 00 (О 61823 ла нагріватися під час роботи термобатареї, перетовщі води, постійну дію агресивного середовикачується до сонячного колектора, через радіатор ща(соленоі води), яке істотно скорочує час ексякого віддає тепло в повітря, після чого охолоджеплуатації таких джерел живлення, налипання зана вода повертається до холодного резервуару В бруднень і живих організмів, що погіршує умови нічний час циркуляція води між сонячним колектотеплообміну, постійну дію механічних факторів під ром і резервуаром з теплою водою не здійснюєтьчас шторму, припливу і відпливу, великі коливання ся вихідної потужності через нестабільність теплових умов і т д Недоліком такого джерела живлення є необхідність його постійного обслуговування РозташоЩе одним із аналогів є термоелектричне джевані на поверхні грунту конструктивні елементи рело живлення, яке функціонує за рахунок різниці піддаються ПОСТІЙНІЙ дії метеофакторів(дощ, сніг, температур повітря та грунту [2] Таке джерело хмарність, понижені температури зимою і т д) живлення складається із надземної і підземної Нагрівання води для забезпечення заданого перечастини Надземна частина включає в себе теплопаду температури на термобатареї може здійснюприймальну площадку з розвиненою поверхнею, ватися лише вдень і при ясній погоді У випадку яка контактує через теплопровід з гарячими спаязатяжної хмарності робота такого джерела живми термобатареї Холодні спаї термобатареї конлення буде малоефективною Наявність рухомих тактують через теплопровід з теплорозсіюючим частин(насоси, клапани) істотно зменшують надійелементом, розташованим у грунті Таке термоність і ресурс роботи без обслуговування термоелектричне джерело живлення має ряд позитивелектричного джерела живлення них якостей Так, розташування теплоприймальної площадки на поверхні грунту є енергетично вигідЗавдання по створенню термоелектричного ним При такому и розташуванні в денний час вона джерела живлення, яке б не мало вищезазначених буде нагріватися найбільше, оскільки, як відомо недоліків є актуальним і сьогодні [3], з глибиною тепловий потік у грунті зменшуєтьОдним із варіантів розв'язання такої задачі є ся Однак, така конструкція джерела живлення створення автономного термоелектричного джетакож має ряд недоліків Таке джерело живлення, рела живлення, до складу якого входять термобапрацюючи від нагрівання теплоприймальної плотарея 1, термостатовані ВОЛОГОСТІЙКІ резервуари з щадки прямими сонячними променями, не здатне теплим робочим тілом(ТРТ) 10 і холодним робогенерувати електроенергію в нічний час і забезпечим тілом(ХРТ) 11, кожен з яких через теплопрочити круглодобову роботу термобатареї Розташоводи контактує як мінімум з двома окремими тепвана на поверхні грунту теплоприймальна площалообмінними елементами - колекторами тепла для дка займає корисну площу і вимагає догляду, так резервуару із ТРТ та теплообмінниками для резеяк вона може пошкоджуватися внаслідок дії різних рвуару з ХРТ В якості теплопроводів можуть вифакторів(механічні пошкодження, засипання снікористовуватись теплові труби дюдної дії Усі гом, листям, пилом і т д ) конструктивні елементи такого джерела живлення захищаються вологостійким корпусом 12 і розтаЕлектроенергія, що виробляється таким джешовуються у грунті (див фіг) Робочий перепад релом живлення вдень, накопичується за допомотемператури на гарячому 14 і холодному 13 спаях гою відомих систем електроакумуляцм, які мають термобатареї 1 створюється від теплового потоку ресурс роботи, значно нижчий за ресурс роботи у грунті, що виникає у його активному шарі при термобатареї, і таким чином, істотно зменшують ЗМІНІ умов оточуючого середовища Тепло забиразагальний ресурс роботи термоелектричного джеється від грунту колекторами тепла 2 та 3 і через рела живлення без обслуговування і ремонту теплопроводи 4 та 5 нагріває ТРТ у резервуарі З існуючих аналогів найближчим за технічною Через теплообмінники 6 і 7 із допомогою теплосуттю є термоелектричне джерело живлення на проводів 8 і 9 відводиться тепло із резервуару 11 з базі термогенератора [4], яке складається із терХРТ Причому мобатареї, сонячного колектора з водяним радіатором, розташованих на поверхні грунту, двох ререзервуар з ТРТ через теплопровід 4 контакзервуарів, розташованих на поверхні грунту або в тує з тепловим колектором 2, розташованим у ньому, причому в одному резервуарі знаходиться приповерхневому шарі грунту(2 - Зсм від його потепла, а в другому холодна вода, системи трубоверхні), а через теплопровід 5 з іншим тепловим проводів із клапанами і насосом, з допомогою яких колектором 3, розташованим у грунті на глибині, здійснюється циркуляція води між сонячним колеменшій за глибину проникнення добової темперактором і резервуарами турної хвилі, і, Таке джерело живлення працює наступним резервуар з ХРТ через теплопровід 8 контакчином Сонячне світло, в денний час, потрапляючи тує з теплообмінним елементом 6, розташованим на колектор, нагріває воду, яка знаходиться у воу приповерхневому шарі грунту, а через теплопродяному радіаторі 3 допомогою насоса вода перевід 9 - з теплообмінником 7, розташованим у грунті качується до резервуару з теплою водою ВІДПОВІна глибині, що перевищує глибину проникнення ДНІ клапани відкриваються і закриваються таким добової температурної хвилі h чином, що циркуляція води відбувається лише між Запропоноване термоелектричне джерело жисонячним колектором з радіатором і резервуаром влення працює наступним чином Як відомо, [3], в з теплою водою Таким чином підтримується задаактивному шарі грунту, під яким розуміють той на різниця температур між гарячими і холодними шар, в якому відбувається перетворення сонячної спаями термобатареї, яка контактує з обома резеенергії в ІНШІ її види, при ЗМІНІ умов оточуючого рвуарами В нічний час насос повертається таким середовища завжди існують теплові потоки, які чином, що вода з холодного резервуару, яка почавдень направляються вглиб грунту, а вночі мають 61823 трукцію запропонованого термоелектричного джерела живлення входять розташовані в грунті термобатарея, яка має тепловий контакт з двома термостатованими і ізольованими від вологи резервуарами, в яких знаходиться тепле і холодне робоче тіло, теплопроводи, в якості яких використовуються теплові труби дюдної дії, теплові колектори та теплообмінники, з допомогою яких тепло забирається від грунту, акумулюється в резервуарі з ТРТ та відводиться з резервуару з ХРТ і розсіюється в оточуюче середовище При цьому на робочих спаях термобатареї створюється заданий перепад температури, в результаті чого функціонує термоелектричне джерело живлення Такі ознаки не зустрічаються в жодному із аналогів і забезпечують заявленому пристрою необхідну новизну та сучасний технічний рівень Промислове використання запропонованого винаходу не вимагає спеціальних технологій і матеріалів Його реалізація легкодоступна і можлива як на існуючих підприємствах електронної і приладобудівної промисловості, так і в умовах дослідноекспериментального виробництва невеликих підприємств і навіть у приватному секторі З метою експериментальної перевірки можливості створення заявленого пристрою, на дослідно-експериментальній базі Інституту термоелектрики було виготовлено діючий макетний зразок термоелектричного джерела живлення, розрахований на потужність 10мВт В якості термобатареї використовувався термоелектричній модуль розміром ЗО х 35 х 6мм, виготовлений з термоелементів на основі ВЬТез Розміри віток термоелеменТака конструкція термоелектричного джерела тів складали 2 х 2 х Змм Термоелектричний живлення забезпечує його постійну роботу незамодуль виготовлявся з 88 віток термоелементів лежно від часу доби Вона дозволяє цілодобово Роль теплопроводів виконували МІДНІ стержні Тепідводити тепло до резервуару з ТРТ як за рахуплові колектори -теплообмінники виготовлялися із нок прямого теплового потоку у грунт в денний дюраля Д16Т В якості робочої речовини в резерчас, так і від зворотного теплового потоку вночі вуарах використовувалася вода Термостатування Одночасно може здійснюватися і процес відвеконструктивних елементів джерела живлення видення тепла від резервуару з ХРТ Тоді як консконувалося шляхом використання для теплоізолятрукція термоелектричного джерела живлення за ції пінопласту марки ПС-4-40 прототипом дозволяє накопичувати тепло лише в денний час, а відводити його лише вночі Результати лабораторних досліджень та доДля забезпечення більшої стабільності роботи сліджень, проведених в реальних умовах експлуазапропонованого джерела живлення в якості ротації^ грунті) в районі м Чернівці, підтвердили бочого тіла замість води можуть використовуватипрацездатність заявленої конструкції термоелектся речовини із прихованою теплотою фазового ричного джерела живлення перетворення, наприклад, водний розчин глаубеСписок літератури рової солі, який в температурному діапазоні, хара1 Мацуура Кендзі Відслідковування максимактерному для теплового режиму активного шару льної потужності термогенератора для утилізації грунту(10 - 40°С) має теплоакумулюючу здатність, низькопотенційного тепла // Ж Денкі гаккай ронв 4 - 5 разів кращу за воду [5] бунсі -1986 -с 949-956 ВІДПОВІДНІСТЬ критерію новизни запропонова2 J W Stevens Optimised Thermal Design of ному термоелектричному джерелу живлення заSmall ЛТ Thermoelectric Generators // 34th Intersoбезпечує та обставина, що вищеокреслена заявciety Energy Conversion Engmeeng Conference лена сукупність ознак не міститься ні в одному з Vancouver, В С - Aug 2-5,1999 - paper 1999-01відомих об'єктів існуючої техніки 2564 У винаході запропоновано принципово нове 3 Нерпин С В , Чудновский А Ф Физика повирішення питання про створення автономного, чвы //М, Наука -1967 екологічно чистого джерела живлення, максима4 Chmory D Solar Power Generator Солнечльно наближеного до споживача Таке джерело ный электрогенератор The British Petroleum Comживлення може мати практично необмежений реpany Pic // Заявка 2172394 - Великобритания Засурс роботи і працювати без обслуговування Відявл 23 01 86г №8601663, опубл в ББИ, 17 09 86г сутність механічних рухомих частин робить його МКИ Г 24 2/04, Н 01 35/02.НКИ Г 4 60 особливо надійним, простим і зручним у користу5 Nommann Rudiger, Emans Hans-Hemz Salzванні Суть винаходу полягає в тому, що в консhydrate als Latentwarmespeichermateriahen Испозворотній напрямок Внаслідок цього в грунті постійно існують умови, необхідні для функціонування термоелектричного джерела живлення Робочий перепад температури на термобатареї утворюється при дії наступних факторів вдень, коли температура грунту, що оточує тепловий колектор 2, перевищує температуру ТРТ в резервуарі 10, тепло через теплопровід 4 передається в резервуар, в нічний час, у випадку, коли температура ТРТ в резервуарі може виявитися нижчою за температуру грунту в МІСЦІ розташування теплового колектора 3, тепло за рахунок теплового потоку, направленого в нічний час до поверхні грунту, через теплопровід 5 буде підводитися до резервуару 10 і передаватися ТРТ у резервуарі 10, якщо температура грунту біля теплообмінника 6 виявиться нижчою за температуру ХРТ в резервуарі 11, то ХРТ в резервуарі 11 через теплопровід 8 буде охолоджуватися, віддаючи тепло в приповерхневий шар грунту, що зазвичай відбувається в нічний час, або при пониженні температури на поверхні грунту Резервуар 11 додатково оснащений теплопроводом 9 та теплообмінником 7, розташованим глибше за глибину проникнення добової температурної хвилі Вони забезпечують розсіювання надлишкового тепла, яке може утворюватися в резервуарі 11 при роботі термобатареї і не буде відводитись через теплопровід 8 та теплообмінник 6 через тимчасові несприятливі температурні умови в приповерхневому шарі грунту та на його поверхні льзование гидратов солей для аккумулирования тепла. // Sitzungsber. Akad. Wiss. DDR. Math. - Na 61823 8 turwiss. - Techn. -1986. - N3, - р. 4(нім). ФІГ. 1 Комп'ютерна верстка І. Вихованець Підписне Тираж39 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м. Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Сім'ї Хохлових, 15, м. Київ, 04119