Автономне відновлювальне термоелектричне джерело живлення

1 Автономне відновлювальне термоелектричне джерело живлення, до складу якого входить термобатарея, теплоприймальний елемент, тепловідвід і система подачі виробленої джерелом живлення електроенергії, електроізолятори, теплоізоляційні елементи, металеві електроди, яке відрізняється тим, що для забезпечення автономності роботи джерела живлення, екологічної безпечності і збільшення ресурсу роботи без обслуговування, як джерело електричної енергії використовується термобатарея, яка разом із теплоприймальним елементом і тепловідводом, котрі в процесі роботи можуть функціонально замінювати один одного, розташовується в актив ному шарі ґрунту і працює за рахунок теплових потоків, що завжди виникають в ньому при змінах умов оточуючого середовища 2 Автономне відновлювальне термоелектричне джерело живлення по п 1, яке відрізняється тим, що термобатарея разом з теплоприймальним елементом і тепловідводом розміщується у ґрунті на глибині, яка не перевищує глибину проникнення амплітуди теплових потоків, які проходять через поверхню ґрунту в конкретному МІСЦІ встановлення джерела живлення 3 Автономне відновлювальне термоелектричне джерело живлення по п 1 або п 2, яке відрізняється тим, що для забезпечення неперервного функціонування і забезпечення споживача постійним і стабільним за величиною струмом, система подачі виробленої термобатареєю електроенергії виконана у вигляді електронного блока управління, який акумулює і стабілізує вироблену джерелом живлення електроенергію о (О Винахід відноситься до термоелектричних приладів, зокрема до пристроїв, що генерують електроенергію з допомогою термоелектричних генераторів Він призначений для автономного довготривалого забезпечення постійним струмом елементів електроніки і відноситься до так званого класу "відновлювальних" джерел живлення, тому знайде застосування в найрізноманітніших галузях народного господарства, науки і техніки На СЬОГОДНІШНІЙ день переважна доля споживаної в СВІТІ електроенергії виробляється традиційними способами, які мають ряд недоліків, а саме віддаленість від споживача, забруднення оточуючого середовища, проблема транспорту вання виробленої електроенергії у віддалені і важкодоступні райони тощо [1] Одним із нетрадиційних способів перетворення енергії є термоелектричний спосіб [2], який відрізняється такими перспективними для використання в енергетиці якостями як екологічна чистота, доступність, конструктивна пластичність, наближеність до споживача, сумісність з нетрадиційними енергетичними ресурсами та з елементами електроніки, для живлення яких можуть застосовуватися термоелектричні перетворювачі При цьому термоперетворювачі (термогенератори) можуть працювати з використанням різних джерел тепла використовувати радіоізотопні джерела тепла, 60922 утилізувати тепловиділення теплопроводів, за рахунок тепла геотермальних вод і т ін З існуючих аналогів найближчим по технічній суті є джерело живлення на базі термогенератора для утилізації низько потенційного тепла, який працює за рахунок різниці температур морської води між и поверхнею і глибинними шарами [3] Конструкція такого джерела живлення включає в себе термобатарею з послідовно з'єднаними елементами, електроізолятори, металеві електроди, труби, по яких передається тепло від високотемпературного шару води до низькотемпературного шару та систему подачі електроенергії, виробленої джерелом живлення, в діючу електроенергетичну систему через перетворювач Таке відновлювальне джерело електроенергії дозволяє успішно утилізувати низько потенційну теплову енергію води морів та океанів і перетворювати и в електроенергію Причому очевидним є факт практичної необмеженості запасів такого низько потенційного тепла Однак, таке термоелектричне джерело живлення має ряд істотних недоліків, до яких можна віднести дороговизну та складність установки і фіксації конструкції в конкретній точці товщі води, постійну дію агресивного середовища (соленої води), яке істотно скорочує час експлуатації таких джерел живлення, налипання забруднень і живих організмів, що приводить до зміни в сторону погіршення коефіцієнтів тепловіддачі теплообмінних елементів і, таким чином, зменшує ефективність роботи джерела живлення Постійна дія механічних факторів внаслідок перемішування і переміщення водяних мас під час шторму, припливів і ВІДПЛИВІВ, великі коливання вихідної потужності через нестабільність теплових умов та ш Тому досить актуальною залишається задача створення автономного джерела живлення, яке б не мало вищезазначених недоліків Одним із варіантів розв'язання такої задачі є створення автономного відновлювального термоелектричного джерела живлення, до складу якого входить термоелектричний генератор, розташований в ґрунті, який працює за рахунок природних теплових потоків, котрі скрізь і завжди існують у ґрунтах при ЗМІНІ умов оточуючого середовища, теплообмінні елементи теплоприймальний та теплорозсіювальний, які можуть функціонально замінювати один одного, теплоізоляція, електронний блок Особливістю такого джерела живлення є те, що він розташовується в ґрунті на глибині, яка не перевищує глибину проникнення теплових потоків, які проходять через поверхню ґрунту в МІСЦІ встановлення джерела живлення Як відомо [4] на земну поверхню попадає променева енергія сонця, потужність якої складає біля 2-1018Вт Біля 30% цієї енергії не досягає ґрунту, але дуже значна її частина попадає на поверхню ґрунту і поглинається нею При цьому поглинута частина сонячної енергії (радіації") перетворюється в теплову енергію і підвищує температуру поверхневих шарів ґрунту, передається в більш глибокі шари і акумулюється в них Запаси цієї енергії є практично невичерпними і легкодоступними для використання шляхом їх термоелектричного перетворення БІЛЬШІСТЬ теплових процесів, які відбуваються на поверхні активного шару ґрунту, під котрим розуміють шар ґрунту, де сонячна енергія перетворюється в ІНШІ види енергії [5], можуть використовуватись для перетворення їх в електроенергію з допомогою термогенератора Але теплові процеси, які відбуваються на поверхні ґрунту, менш стабільні, на них впливають дуже багато факторів метеоумови, рослинність, місцезнаходження і т д) Тому для досягнення поставленої мети доцільно розглядати процеси взаємного обміну тепла між поверхневими і нижче розташованими шарами ґрунту, які і складають суть теплообміну в ґрунті 3 кількісної сторони теплообмін в такій системі характеризується величинами теплових потоків в ґрунті і іхтеплоакумуляцією в ньому Так як величина останньої є інтегральним значенням теплових потоків за певний відрізок часу, то саме тепловий потік визначає теплообмін у ґрунті При проходженні теплового потоку у ґрунті виникає вертикальний перепад температури, який є першопричиною теплообміну в ньому і наявність якого дозволяє використовувати теплові потоки, що завжди і всюди існують у ґрунтах для прямого перетворення їх в електроенергію Особливістю використання теплових потоків у ґрунтах для термоелектричного перетворення їх в електроенергію є те, що у ґрунті на протязі року спостерігається процес теплообміну з добовою і річною періодичністю Теплообмін може відбуватися так, що тепловий потік буде направлений в глибину ґрунту, або у зворотному напрямку На протязі доби має місце велика зміна теплообміну вдень і менша — вночі Вдень найбільше нагріта поверхня ґрунту Зате вночі вона — найбільш охолоджена В результаті цього максимальна добова температура ґрунту спостерігається біля його поверхні 3 глибиною ґрунту вона зменшується Так, якщо на поверхні ґрунту температура складає до 40°С, то на глибинах 5, 10, 20(см) и значення ВІДПОВІДНО дорівнюють 28, 26, 23(°С) [6] Затухання амплітуди добових коливань температури в залежності від складу ґрунту і кліматичних умов в МІСЦІ встановлення джерела живлення може відбуватися на глибині від 20 до 100см За матеріалами досліджень [7] влітку у південних областях температура на поверхні ґрунту може досягати 50-60°С Але вже на глибині в 10-20см вона стає нижчою на 25-30°С Це пояснюється тим, що вертикальний градієнт температури швидко зменшується з глибиною через велике поглинання тепла верхніми шарами ґрунту, через що тепловий потік з глибиною стає меншим Теплообмін у ґрунті на протязі року також має свої особливості Найбільший позитивний теплообмін спостерігається весною і в першій половині літа, а найбільший від'ємний на початку зими Дослідження річної динаміки теплового потоку через різні шари ґрунту, результати яких наведені в роботі [7] показують, що величина теплового потоку, пройшовши через свої максимальні значення в ЛІТНІЙ період, починає зменшуватися на всіх глибинах Це є підтвердженням наявності конкретної для кожного типу ґрунту глибини, на якій амплітуда теплового потоку є дуже малою Отже, результати досліджень показують, що в 60922 активному шарі ґрунту постійно існують умови, конання необхідні для функціонування автономного ВІДПОВІДНІСТЬ критерію "новизна" запропоновідновлювального термоелектричного джерела ваному авторами автономному відновлювальному живлення термоелектричному джерелу живлення забезпеЗавдання створення такого джерела живлення чує та обставина, що вище окреслена заявлена вирішується наступним чином Автономне сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів відновлювальне термоелектричне джерело живіснуючої техніки лення, фіг 1, яке складається з термобатареї 1, У винаході запропоновано принципово нове теплоприймального елементу 2, тепловідводу З, вирішення питання про створення автономного, теплоізоляції 4, електронного блоку 5, корпусу 6 екологічно чистого, відновлювального термоелекрозташовується у ґрунті 7 на глибині d, яка не петричного джерела живлення, максимально наблиревищує глибину проникнення амплітуди тепловоженого до споживача з практично необмеженим го потоку, характерної для конкретного типу ґрунту ресурсом роботи, суть якого полягає в тому, що в і його місцезнаходження При цьому за рахунок конструкцію запропонованого джерела живлення природних теплових потоків, які завжди і всюди входять термобатарея, яка разом з теплоприйіснують у активному шарі ґрунту, через тепломальним елементом і тепловідводом, що можуть обмінні елементи джерела живлення постійно функціонально замінювати один одного, і елекпроходитиме тепловий потік Він буде створювати тронним блоком, розташовуються в ґрунті на глирізницю температур на робочих поверхнях термобині, яка не перевищує глибину проникнення батареї Внаслідок цього термобатарея буде генеамплітуди теплових потоків, котрі виникають в акрувати деяку величину електроенергії постійного тивному шарі ґрунту при ЗМІНІ умов оточуючого струму Величина виробленої термобатареєю середовища Ці ознаки не зустрічаються ні в оделектроенергії буде постійно змінюватися в заному з аналогів і забезпечують заявленому прилежності від багатьох факторів зміна метеоумов строю необхідний "винахідницький" рівень на поверхні ґрунту, місця розташування джерела Промислове використання запропонованого живлення, часу доби, пори року і т д Для отривинаходу не вимагає спеціальних технологій і мамання стабільної електричної потужності, нетеріалів, його реалізація легкодоступна і можлива обхідної для живлення конкретного об'єкту, в конна існуючих підприємствах електронної і приладострукцію джерела живлення входить електронний будівної промисловості блок, за допомогою якого акумулюється і З метою експериментальної перевірки можлистабілізується електроенергія, що постійно геневості створення заявленого пристрою авторами рується термобатареєю Крім вищезазначених було виготовлено діючий макетний зразок автоособливостей, запропоноване автономне джерело номного відновлювального термоелектричного живлення має і ІНШІ ІСТОТНІ ВІДМІННОСТІ Так, траджерела живлення та проведено дослідження його диційне виконання термогенераторів передбачає, працездатності що теплоприймальна поверхня, яка контактує з Теплообмінні елементи макету були виготовджерелом тепла, за площею є значно меншою, ніж лені із дюралюмінію Д16Т В якості термоелекплоща тепло відводу, який розташований на так тричного перетворювача використовувалась терзваній холодній робочій поверхні термобатареї і мобатарея, виготовлена із термоелектричного призначенням якого є лише ВІДВІД тепла, яке матеріалу на основі потрійних сполук ВігТез Для пройшло через термобатарею теплового контакту і фіксації термобатареї до теплообмінних елементів використовувався елаВ запропонованому варіанті джерела живленстосил 137-83, який має хорошу теплопровідність ня функціональне призначення і конструктивне Товщина шару еластосилу складала 0,1мм Тепвиконання теплоприймального елементу і теплоізоляція виготовлялась із пінопласту ПС-4-40 ловідводу інше Перш за все площі теплообмінних При товщині теплоізоляції 23мм втрати теплового поверхонь визначаються конкретними умовами потоку через бокову поверхню складали всього розташування і експлуатації джерела живлення біля 0,14% Електронний блок, з допомогою якого Крім того, при використанні більш динамічних — здійснювалася акумуляція виробленої макетним добових процесів теплообміну у ґрунті, теплозразком електроенергії, був розроблений на основі приймальний елемент і тепловідвід, в залежності використання юністорів КИ 1-1 від напрямку теплового потоку (вглиб ґрунту — вдень і в зворотному напрямку — вночі), можуть Основні характеристики макетного зразка авфункціонально замінювати один одного, що зутономного джерела живлення показані в таблиці 1 мовлює певні особливості їх конструктивного виТаблиця 1 № 1 2 3 4 Параметр, характеристика Габаритні розміри макетного зразка, мм Числове значення 250x86x86 КІЛЬКІСТЬ ВІТОК термоелементів в ТЕБ, шт 48 4 Переріз віток термоелементів, мм^ Внутрішній опір ТЕБ, Ом Результати лабораторних досліджень макетного зразка приведені в таблиці 2 0,86 60922 Таблиця 2 № 1 2 3 4 5 6 7 8 а, мВт /см 4,1 6,2 10,7 16,3 20,9 26,1 29,9 37,9 2 ДТ,К Е, В (ерс) І к з,мА W, мВт 2 5 10 15 20 25 0,82 1,81 3,46 5,09 6,74 8,25 10,02 13,3 0,3 0,66 1,25 1,85 2,41 2,92 3,45 4,47 0,061 0,299 1,056 2,354 4,061 6,066 8,642 14,862 ЗО 40 Результати польових випробувань виготовленого зразка, які проводилися в районі м Чернівці приведені на фіг 2 та фіг З Проведені дослідження підтвердили можливість і ДОЦІЛЬНІСТЬ створення автономного відновлювального термоелектричного джерела живлення, яке працює за рахунок природних теплових потоків, які завжди і всюди виникають у активному шарі ґрунту при ЗМІНІ умов оточуючого середовища Використання запропонованого джерела живлення дозволить перш за все використовувати низько потенційне, проте необмежене за обсягом тепло, яке скрізь і завжди існує у активному шарі ґрунту, для прямого перетворення його в електроенергію Створюються сприятливі умови для дешевих і доступних методів проведення найрізноманітніших досліджень у важкодоступних районах, оскільки таке джерело живлення може бути встановлене один раз в будь-якому важкодоступному МІСЦІ і виконувати свою функцію без обслуговування на протязі ресурсу роботи термобатареї, який складає 20-25 р При цьому запропоноване джерело живлення є екологічно безпечним і простим у користуванні Список літератури 1 Бортников Ю С и др Нетрадиционные способы превращения видов энергии Ведомости АН СССР Энергетика и транспорт, № 5, — 1981, — С 3-12 2 Анатычук Л И Термоэлементы и термоэлектрические устройства Справочник Киев Наукова Думка, — 1979 3 Мацуура Кендзі Відслідковування максимальної потужності термоелектричного генератора для утилізації низько потенційного тепла Журнал Денкі гаккай ронбунсі, — 1986, — С 949-956 4 Лайхтман Д Л , Чудновский А Ф Физика приземного слоя атмосферы Госиздат техникотеоретической литературы Л — М , — 1949 5 Нерпин С В , Чудновский А Ф Физика почвы М Наука, — 1967 6 Климатический справочник СССР ч II, Гидрометеоиздат, —1970 7 Довідник ПО клімату СРСР Вип 10, ч I, Пдрометеовидав 60922 10 ни прот?ЇЇ ден Комп'ютерна верстка Н Кураєва 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