Ґрунтовий термоелектричний генератор

Реферат: UA 90793 U UA 90793 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до термоелектричних приладів, зокрема до пристроїв, що генерують електроенергію з допомогою термоелектричних генераторів. Ґрунтовий термоелектричний генератор призначений для автономного довготривалого забезпечення постійним струмом елементів електроніки і належить до так званого класу "відновлювальних" джерел живлення, тому знайде застосування в найрізноманітніших галузях народного господарства, науки і техніки. На сьогоднішній день переважна доля споживаної електроенергії в світі виробляється традиційними способами, які мають ряд недоліків, а саме: віддаленість від споживача, забруднення оточуючого середовища, проблема транспортування 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, утилізувати тепловиділення теплопроводів, за рахунок тепла геотермальних вод, тепла оточуючого середовища (ґрунту, води, повітря) і інших. З відомих аналогів найближчим до суті є автономне відновлювальне джерело живлення, описане в [3]. Конструкція такого джерела живлення складається з розташованих в активному шарі ґрунту на глибині, яка не перевищує глибину проникнення амплітуди теплових потоків, що проходять через поверхню ґрунту в конкретному місці розташування такого джерела живлення: теплопроводів, термобатареї, теплоізоляційних елементів металевих електродів, електронного блоку управління. Таке відновлювальне джерело електроенергії дозволяє успішно утилізувати низькопотенційну теплову енергію ґрунтів і перетворювати її в електроенергію. При цьому очевидним є факт практичної необмеженості запасів такого низькопотенційного тепла. Однак, недоліком такого джерела живлення є те, що при його експлуатації в різних кліматичних зонах з різними типами ґрунтів (чорнозем, пісок, глина, торф'яний ґрунт і т.д.) не забезпечуватиметься оптимальний режим роботи. Глибина проникнення амплітуди теплових потоків для різних типів ґрунту різна [4÷7], а конструкція автономного джерела живлення, описана в [3] не ув'язує теплофізичні характеристики ґрунту і джерела живлення з метою вибору їх оптимального співвідношення. Тому актуальною є задача створення ґрунтового термоелектричного генератора, який не має вищезазначеного недоліку. Задача створення такого ґрунтового термоелектричного генератора вирішується наступним чином. Ґрунтовий термоелектричний генератор складається з термобатареї, теплоприймального елемента, тепловідводу, теплоізоляції, електронного блока корпусу, розташованих у ґрунті на глибині, яка не перевищує глибину проникнення амплітуди теплового потоку, характерної для конкретного типу ґрунту і його місцезнаходження. При цьому конструкція ґрунтового термогенератора враховує геометричний фактор пов'язаний з теплофізичними характеристиками конструктивних елементів і ґрунту. Останнє досягається тим, що співвідношення теплового опору ґрунтового термогенератора до теплового опору об'єму ґрунту в місці розташування генератора (коефіцієнт k) задовольняє співвідношення: 1Н  3 Д, Н Д - його діаметр, а Д - фактор де Н - висота ґрунтового термоелектричного генератора, форми. Працює ґрунтовий генератор за рахунок природних теплових потоків, які завжди і всюди існують у активному шарі ґрунту. Через теплообмінні елементи ґрунтового термогенератора постійно проходитиме тепловий потік. Він буде створювати різницю температур на робочих поверхнях термобатареї. Внаслідок цього термобатарея буде генерувати деяку величину постійного струму. Величина виробленої термобатареєю електроенергії буде постійно змінюватися в залежності від багатьох факторів: зміна метеоумов на поверхні ґрунту, місця розташування джерела живлення, часу доби, пори року і т.д. Для отримання стабільної електричної потужності, необхідної для живлення конкретного об'єкту, в конструкцію джерела живлення входить електронний блок, за допомогою якого акумулюється і стабілізується електроенергія, що постійно генерується термобатареєю. 1 UA 90793 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Відповідність критерію "новизна" запропонованому авторами автономному відновлювальному термоелектричному джерелу живлення забезпечує та обставина, що вище окреслена заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючої техніки. У корисній моделі запропоновано нове вирішення задачі про створення автономного, екологічно чистого, відновлювального термоелектричного джерела живлення, максимально наближеного до споживача, з практично необмеженим ресурсом роботи і з максимальними вихідними характеристиками для конкретного типу ґрунту і заданої кліматичної зони. Суть нового вирішення полягає в тому, що в конструкцію запропонованого ґрунтового термогенератора входять термобатарея, яка разом з теплоприймальним елементом і тепловідводом, що можуть функціонально замінювати один одного, і електронним блоком, розташовуються в ґрунті на глибині, яка не перевищує глибину проникнення амплітуди теплових потоків, котрі виникають в активному шарі ґрунту при зміні умов оточуючого середовища. При цьому співвідношення теплового опору об'єму ґрунтового термогенератора до теплового опору еквівалентного об'єму ґрунту в місці розташування генератора (коефіцієнт k) задовольняє співвідношення: 1Н  3 Д, Н де Н - висота ґрунтового термоелектричного генератора, Д - його діаметр, а Д - фактор форми. Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація легкодоступна і можлива на існуючих підприємствах електронної і приладобудівної промисловості. Для перевірки достовірності і обґрунтування доцільності створення ґрунтового термоелектричного генератора з оптимізованою конструкцією в Інституті термоелектрики НАН і МОН України були проведені як теоретичні, так і практичні дослідження. Результати теоретичних досліджень наведені на кресленні, де показана залежність вихідної потужності ґрунтового термогенератора (ГТЕГ) від відношення теплового опору еквівалентного об'єму ґрунту до теплового опору ГТЕГ для п'яти значень фактора форми Н/Д: 1 - Н/Д=0,25; 2 Н/Д=0,5; 3 - Н/Д=1,0; 4 - Н/Д=1,5; 5 - Н/Д=2,0. Оцінки проводились для добових коливань теплового потоку на поверхні ґрунту. Як видно з креслення, оптимальним для ГТЕГ є вищезазначене співвідношення. З метою експериментальної перевірки можливості реалізації заявленої конструкції ГТЕГ було виготовлено ряд діючих макетів, результати досліджень яких добре співпадають з теоретичними оцінками. Джерела інформації: 1. Бортников Ю.С. и др. Нетрадиционные способы превращения видов энергии. -Ведомости АН СССР. Энергетика и транспорт, 1981. - № 5. - С. 3-12. 2. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник - К.: Наукова думка, 1979. 3. Пат. 60922А Україна. МПК H01L 35/02. Автономнее відновлювальне джерело живлення. Анатичук Л.І., Микитюк П.Д. (Україна); Інститут термоелектрики. № 2003043603. - заявка 21.04.2003; Опубл. 15.10.2003; бюл. № 10. 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. Вин. 10. - Ч. 1. - Гідрометеовидав., 1966. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Ґрунтовий термоелектричний генератор, до складу якого входять розташовані в активному шарі ґрунту на глибині, яка не перевищує глибину проникнення амплітуди теплових потоків, що проходять через поверхню ґрунту в конкретному місці встановлення термоелектричного генератора: термобатарея; теплоприймальний і тепловідвідний елементи, котрі в процесі роботи термогенератора можуть функціонально замінювати один одного в залежності від напрямку теплового потоку в ґрунті; теплоізоляційні елементи, металеві електроди; система подачі виробленої термобатареєю електричної енергії, виконана у вигляді електронного блока управління, що акумулює і стабілізує електроенергію, який відрізняється тим, що відношення 2 UA 90793 U теплового опору об'єму ґрунтового термоелектричного генератора до теплового опору, еквівалентного об'єму ґрунту в місці розташування генератора (коефіцієнт к), задовольняє співвідношення: 1Н 3Д, де Н - висота ґрунтового термоелектричного генератора, а Д - його діаметр.  5 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3