Сонячне термоелектричне джерело живлення

Реферат: UA 78531 U UA 78531 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до енергетики, зокрема до відновлювальних джерел живлення, а саме до термоелектричних генераторів, що використовують для своєї роботи теплову енергію відновлювальних джерел енергії. Корисна модель може бути використана для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію. Термоелектричні генератори мають ряд істотних переваг перед хімічними джерелами живлення: на порядок більший ресурс роботи, відсутність саморозряду, повна автономність при роботі в поєднанні з відновлювальним джерелом теплової енергії і т.д. Наявність таких джерел живлення, максимально наближених до споживача, екологічно чистих, простих в експлуатації дозволяє створювати нові види приладів, що застосовуються в метеорології, сейсміці, охоронних системах і т.д., де рівні енергоспоживання є невеликими. Відомі термоелектричні генератори, що здійснюють пряме перетворення сонячної енергії в електричну, зокрема US 3130084, US 20100186794 Al, US 298496, US 20080251111 Al, US 4251291. Відомий сонячний термоелектричний генератор (US 20100186794 Al) складається з параболічного дзеркала та збірної лінзи, що концентрують сонячну енергію на вертикально розміщені приймальні площадки, які перебувають у тепловому контакті з гарячою стороною термоелектричного перетворювача. Тепло від холодних спаїв термобатареї відводиться рідинним теплообмінником для подальшої рекуперації. Для зменшення теплових втрат приймальні площадки, термоелектричний перетворювач та рідинний теплообмінник розміщені в герметичній ізоляційній камері. Недоліком такої конструкції є те, що сонячна енергія до моменту перетворення в тепло на вертикальних приймальних площадках термоелектричного перетворювача проходить через збірну лінзу та стінку ізоляційної камери, що спричиняє додаткові втрати сонячної енергії на елементах конструкції. При цьому, енергія, поглинута параболічним концентратором, не відводиться системою охолодження, що сприяє розігріву конструктивних елементів. Також відомий [1] термоелектричний генератор, який складається із надземної і підземної частини. Надземна частина містить теплоприймальну площадку з розвиненою поверхнею, яка контактує через теплопровід з гарячими спаями термобатареї. Холодні спаї термобатареї контактують через теплопровід з теплорозсіюючим елементом, розташованим у ґрунті. Таке термоелектричне джерело живлення має ряд позитивних якостей. Так, розташування тепло приймальної площадки на поверхні ґрунту є енергетично вигідним. При такому її розташуванні в денний час вона буде нагріватися найбільше, оскільки, як відомо [2], з глибиною тепловий потік у ґрунті зменшується. Однак, така конструкція джерела живлення також має ряд недоліків. Таке джерело живлення, працюючи від нагрівання тепло приймальної площадки прямими сонячними променями, не здатне генерувати електроенергію в нічний час і забезпечити цілодобову роботу термобатареї. Електроенергія, що виробляється таким джерелом живлення вдень, накопичується за допомогою відомих систем електроакумуляції, які мають ресурс роботи, значно нижчий за ресурс роботи термобатареї, і таким чином, істотно зменшують загальний ресурс роботи термоелектричного джерела живлення без обслуговування і ремонту. З існуючих аналогів найближчим за технічною суттю є термоелектричне джерело живлення на базі термогенератора [3], яке складається із: термобатареї, сонячного колектора з водяним радіатором, розташованих на поверхні ґрунту, двох резервуарів, розташованих на поверхні ґрунту, або в ньому, причому в одному резервуарі знаходиться тепла, а в другому - холодна вода; системи трубопроводів із клапанами і насосом, за допомогою яких здійснюється циркуляція води між сонячним колектором і резервуарами. Таке джерело живлення працює наступним чином. Сонячне світло, в денний час, потрапляючи на колектор, нагріває воду, яка знаходиться у водяному радіаторі. За допомогою насоса вода перекачується до резервуара з теплою водою. Відповідні клапани відкриваються і закриваються таким чином, що циркуляція води відбувається лише між сонячним колектором з радіатором і резервуаром з теплою водою. Таким чином підтримується різниця температур між гарячими і холодними спаями термобатареї, яка контактує з обома резервуарами. В нічний час насос повертається таким чином, що вода з холодного резервуара, яка почала нагріватися під час роботи термобатареї, перекачується до сонячного колектора, через радіатор якого віддає тепло в повітря, після чого охолоджена вода повертається до холодного резервуара. В нічний час циркуляція води між сонячним колектором і резервуаром з теплою водою не здійснюється. Недоліком такого джерела живлення є необхідність постійного обслуговування через наявність рухомих частин (насоси, клапани), які істотно зменшують надійність і ресурс його роботи без обслуговування, ускладнюють конструкцію і обслуговування. Недоліком є також те, що мають місце значні втрати теплової енергії на елементах конструкції та не забезпечення оптимального температурного режиму генерування енергії для термоелектричної батареї 1 UA 78531 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 генератора. До недоліків можна віднести і те, що при невеликій різниці температури між рідиною в холодному резервуарі і оточуючим сонячний колектор повітрям у нічний час, відвід тепла від холодного резервуара в повітря за рахунок лише конвективного теплообміну, як це передбачено конструкцією джерела живлення, буде неефективним. Це не сприятиме забезпеченню стабільності роботи джерела живлення. Завдання зі створення термоелектричного джерела живлення, яке б не мало вищезазначених недоліків є актуальним і сьогодні. Одним із варіантів розв'язання такої задачі є створення автономного, відновлювального, екологічно чистого сонячного термоелектричного джерела живлення, до складу якого входять сонячний колектор 1 (див. креслення), світлоприймальна поверхня 2 якого містить по крайній мірі одну оптичну лінзу 3 з фокусною відстанню d, рівною відстані від лінзи до абсорбера 4 сонячного колектора. Простір між світлоприймальною поверхнею сонячного колектора і його абсорбером для зменшення теплових втрат є вакуумований або заповнений інертним газом. Абсорбер сонячного колектора тепло сонячного випромінювання передає тепловому акумулятору 5, який має тепловий контакт з гарячою робочою поверхнею термобатареї 6. Тепловідвід від холодної робочої поверхні термобатареї здійснюється за допомогою тепловідводу 7, який розташовується у середовищі 8, що має температуру нижчу за температуру теплоакумулюючої речовини в тепловому акумуляторі 5. Для зменшення теплових втрат поверхня запропонованого джерела живлення, за винятком тепловідводу 7 і світлоприймальної поверхні 1 сонячного колектора, мають адіабатичну теплову ізоляцію 8. Запропоноване сонячне термоелектричне джерело живлення працює наступним чином. Сонячне проміння, сфокусоване оптичними лінзами 3 світлоприймаючої поверхні 2 сонячного колектора 1 розігріває теплоносій, що знаходиться в абсорбері сонячного концентратора. Тепло від абсорбера завдяки його тепловому контакту з тепловим акумулятором передається теплоакумулюючій речовині в ньому. Для збільшення енергоємності теплового акумулятора як теплоакумулюючі речовини можуть використовуватись гідрати деяких солей, так звані акумулятори тепла і холоду або речовини з низькою температурою фазового переходу. Тепловий акумулятор 5 передає тепло на гарячу робочу поверхню термобатареї 6, холодна робоча поверхня якої контактує з тепловідводом 7. При цьому на термобатареї створюється різниця температури, завдяки якій термобатарея генерує електричний струм. Для забезпечення стабільної роботи термобатареї 1 в нічний час або при відсутності достатнього освітлення через несприятливі метеоумови співвідношення об'єму, маси і теплоємності теплоакумулюючої речовини в тепловому акумуляторі вибирається так, щоб забезпечити накопичення такої кількості тепла, яка необхідна для забезпечення заданого часу роботи джерела живлення навіть без надходження тепла в тепловий акумулятор. Важливим для роботи джерела живлення є розташування його тепло відводу, який повинен знаходитись у середовищі з температурою, нижчою за температуру теплоакумулюючої речовини в тепловому акумуляторі. Це досягається наступним чином: - при розташуванні джерела живлення в системі "ґрунт-повітря" його світлоприймальна поверхня 2 знаходиться на поверхні ґрунту під дією прямого сонячного випромінювання, а тепловідвід розташовується у ґрунті на глибині затухання добової температурної хвилі. Ця глибина визначається конкретним типом ґрунту і кліматичною зоною. Так для 48-50° північної широти для більшості типів ґрунту затухання добової температурної хвилі має місце на глибині 40-80 см, де спостерігається практично постійна температура [4]; - при розташуванні джерела живлення на поверхні води створюються сприятливі умови для теплообміну, адже тепловідвід буде мати безпосередній тепловий контакт з водою. При цьому, для забезпечення плавучості конструкції джерела живлення теплоізоляція може бути виготовлена з матеріалу, що виконуватиме заодно і функцію поплавка, що утримує джерело живлення на поверхні води. Відповідність критерію новизни запропонованому сонячному 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 рішення зі створення автономного термоелектричного джерела, що функціонує за рахунок перетворення відновлювальної енергії сонячного випромінювання в електроенергію за допомогою термоелектричного генератора. Воно полягає: по-перше, в істотному збільшенні кількості тепла, яке концентрується сонячним колектором за допомогою конструктивно вмонтованих у його світлоприймальну поверхню оптичних лінз, а 2 UA 78531 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 отже в збільшенні вихідної потужності джерела живлення, яка, як відомо [5], прямо пропорційно залежить від кількості тепла, що пройшло через термобатарею; по-друге, у наявності в конструкції джерела живлення теплового акумулятора, співвідношення об'єму, маси і теплоємності теплоакумулюючої речовини в якому вибирається таким, щоб накопичувати кількість тепла, необхідну для забезпечення заданого часу постійної роботи джерела живлення навіть без тимчасового сонячного освітлення через зміну дня і ночі чи через несприятливі метеоумови; по-третє, для забезпечення постійної роботи джерела живлення його тепловідвід розташовується в середовищі з температурою нижчою за температуру теплоакумулюючої речовини в тепловому акумуляторі. Це забезпечує наявність постійного градієнту температури на термобатареї, необхідного для генерації електричного струму. Тому, ознаки, які не зустрічаються ні в одному з аналогів, а саме "…сонячний колектор, світлоприймальна поверхня якого містить по крайній мірі одну оптичну лінзу з фокусною відстанню, рівною відстані між лінзою і абсорбером сонячного колектора, а простір між світлопоглинаючою поверхнею і абсорбером є вакуумований або заповнений інертним газом, контактує з акумулятором тепла, що має тепловий контакт з гарячою робочою поверхнею термобатареї, холодна робоча поверхня якої контактує з тепло відводом, розташованим у середовищі з температурою нижчою від температури теплоакумулюючої речовини в акумуляторі тепла, співвідношення між масою, об'ємом і теплоємністю якої вибирається таким, щоб забезпечити наявність постійної різниці температури на термобатареї, при цьому вся поверхня джерела живлення за винятком світлоприймальної поверхні сонячного колектора і тепловідводу є адіабатично теплоізольованою. Крім того, при розташуванні джерела живлення в системі "ґрунт-повітря", тепловідвід розташовується на глибині затухання добової температурної хвилі у ґрунті, характерної для конкретного типу ґрунту і кліматичної зони, а при його розташуванні у воді адіабатична теплова ізоляція одночасно виконує роль поплавка, що утримує конструкцію на плаву". Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих вітчизняних підприємствах електронного і приладобудівельного напрямків. Суть корисної моделі пояснюється його описом та кресленням, де показано: 1 - сонячний колектор, 2 - світлоприймальна поверхня сонячного колектора, 3 - оптичні лінзи, 4 - абсорбер сонячного колектора, 5 - тепловий акумулятор, 6 - термобатарея, 7 - тепловідвід, 8 - адіабатична теплова ізоляція. Запропонована конструкція джерела живлення не має рухомих частин, є автономною, простою в користуванні, ресурс роботи термоелектричних генераторів оцінюється терміном в 20-25 років, завдяки наявності оптичної системи збору сонячного випромінювання і оптимізованої конструкції акумулятора тепла вихідна потужність запропонованого джерела живлення буде цілком співвимірною із потужністю споживання ряду приладів тривалого використання (охоронні системи, сейсмодатчики, агро- і метеодатчики, навігаційні системи та ін.). Джерела інформації: th 1. J. W. Stevens. Optimised Thermal Design of Small LT Thermoelectric Generators.// 34 Intersociety Energy Conversion Engeneering Conference. -Vancouver, B.C.- Aug. 2-5, 1999/ - paper 1999-01-2564. 2. Нерпин СВ., Чудновский А.Ф. Физика почвы.// М. Наука.-1967. 3. Chinoriy D. Solar Power Generator. Солнечный электрогенератор. The British Petroleum Company Pic. // Заявка опубл. В ББИ, 17.09.86 г. МКИ Г 24 2/04, Н01 35/02, НКИ Г 4 60. 4. Чудновский А.Ф. Теплофизика почв. М: Наука, 1976. - 352 с. 5. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник - К.: Наук. думка. - 1979. - 768 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 1. Сонячне термоелектричне джерело живлення, що містить термобатарею з гарячою і холодною робочими поверхнями, сонячний колектор, тепловий акумулятор, тепловідвід, яке 3 UA 78531 U 5 10 15 відрізняється тим, що сонячний колектор, світлоприймальна поверхня якого містить принаймні одну оптичну лінзу з фокусною відстанню, рівною відстані між лінзою і абсорбером сонячного колектора, а простір між світлоприймальною поверхнею і абсорбером є вакуумований або заповнений інертним газом, контактує з акумулятором тепла, що має тепловий контакт з гарячою робочою поверхнею термобатареї, холодна робоча поверхня якої контактує з тепловідводом, розташованим у середовищі з температурою, нижчою від температури теплоакумулюючої речовини в тепловому акумуляторі, співвідношення між масою, об'ємом і теплоємністю якої вибирається таким, щоб забезпечити наявність постійної різниці температури на термобатареї, при цьому вся поверхня джерела живлення за винятком світлоприймальної поверхні сонячного колектора і тепловідводу є адіабатично теплоізольованою. 2. Джерело живлення за п. 1, яке відрізняється тим, що при його розташуванні в системі "ґрунт-повітря", тепловідвід розташовується на глибині затухання добової температурної хвилі у ґрунті, характерної для конкретного типу ґрунту і кліматичної зони. 3. Джерело живлення за п. 1, яке відрізняється тим, що при його розташуванні у воді адіабатична теплова ізоляція одночасно виконує роль поплавка, що утримує конструкцію на плаву. Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 4