Термоелектричний генератор

Реферат: Термоелектричний генератор для перетворення теплової енергії моря чи океану в електричну складається з термобатареї, акумулятора тепла, баластної ємкості, фіксаторів, адіабатичної теплоізоляції корпусу теплового акумулятора і бокових граней термобатареї термогенератора, тепловирівнюючих теплопереходів термобатареї термогенератора, концентратора теплової енергії, електроакумулюючого пристрою, генератора ультразвукових коливань, теплової ізоляції корпусу баластної ємкості, гідростатичного клапана та антинаростаючого покриття всіх конструктивних елементів термогенератора. UA 72289 U (54) ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ГЕНЕРАТОР UA 72289 U UA 72289 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області термоелектричного перетворення енергії, а саме до термоелектричних джерел живлення - термоелектричних генераторів (ТЕГ), що використовують для свого функціонування теплову енергію морів та океанів. Відома конструкція термоелектричного генератора [1], в якому гарячий і холодний спаї розміщаються в поверхневих шарах океану, а охолодження холодного спаю здійснюється шляхом прокачки води із глибинних шарів океану за допомогою електричного насоса. Недолік цього генератора пов'язаний із затратами отриманої електричної енергії на прокачку холодної води з глибинних шарів океану. Відома конструкція термоелектричного генератора [2], що містить акумулятор тепла, термоелектричну батарею, один спай якої знаходиться у тепловому контакті з акумулятором тепла, електричний двигун, який переміщує генератор між поверхнею і дном океану. Відповідно до винаходу, термоелектрична батарея генерує електроенергію на основі перепаду між температурою акумулятора тепла і температурою середовища, в якому знаходиться генератор. Недоліком цього генератора є необхідність затрат енергії на роботу електричного двигуна. Найближчим аналогом є термоелектричний генератор [3], який складається з термобатареї з холодними і гарячими спаями, акумулятора тепла, що знаходиться у тепловому контакті з гарячими спаями термобатареї, баластної ємкості, розташованої над холодними спаями термобатареї, яка має відкриту нижню частину, клапан, що з'єднує верхню частину ємкості з оточуючим середовищем. Баластна ємкість дозволяє контролювати рівень плавучості генератора і таким чином переміщати його між поверхнею і дном океану шляхом накопичення в ній газів, що виділяються при нагріванні води глибинних шарів океану. Недоліком вищевказаних пристроїв є те, що їхні конструкції не передбачають пристроїв для фіксації термогенераторів у місці їх встановлення в морі чи океані. Внаслідок дії гідрометеофакторів (морські і океанічні течії, вітри, перемішування водних масивів) та інших чинників, ідентифікація таких пристроїв за місцем їх попереднього розташування стає неможливою. Ще одним із істотних недоліків є проблеми, пов'язані з агресивністю робочого середовища (морської солоної води) і інтенсивним обростанням всіх об'єктів, що знаходяться в ній, шаром морських рослин і тварин. Це приводить до швидкого зношення механізмів і їх корозії, істотного зростання експлуатаційних витрат і, що є основним для ТЕГ - різкого погіршення процесів його теплообміну з оточуючим середовищем, що суттєво знижує ефективність роботи ТЕГ, або взагалі робить неможливим його функціонування. Найінтенсивніше обростають у морській воді нерухомі або малорухомі об'єкти. При цьому до корпуса об'єкта прикріплюються спори водоростей і зародки балянусів, трубчастих черв'яків, гідроїдів та ін. Спори водоростей і личинки прикріпляються так міцно, що навіть сильні удари хвиль не можуть їх відірвати. Як правило, обростання починається з появи на корпусі зони світлолюбних зелених водоростей, які добре розмножуються у верхніх шарах води, де є багато кисню і сонячного світла. Нижче цієї зони починається обростання балянусами, кількість яких зростає у міру збільшення глибини і зменшення освітленості. Ці процеси обростання відбуваються досить інтенсивно, вже через 4-6 тижнів з моменту занурення об'єкту у воду [4]. Тривалі дослідження, які проводяться кораблебудівними підприємствами та судноплавними компаніями показали, що найефективнішим способом боротьби з обростанням є не механічне очищення поверхонь, а використання спеціальних протиобростаючих покриттів: фарб, лаків, полімерних матеріалів, наприклад, покриття «Інерта.160», «Комбик», «Котур'є» і інші. В окремих випадках для запобігання обростанню корпусів кораблів та інших плаваючих засобів використовується ультразвуковий захист, при якому на обшивці корпусу плавзасобу збуджуються високочастотні коливання, які перешкоджають заселенню поверхні личинками. У описах відомих конструкцій термогенераторів, призначених для роботи у морській воді, не наводяться дані про застосування протиобростаючих покриттів або інших способів захисту від обростання морськими флорою і фауною. Ще одним недоліком ТЕГ, вибраним як найближчий аналог, є те, що його конструкція передбачає наявність управляючого клапана, що з'єднує верхню частину баластної ємкості з оточуючим середовищем. Такий клапан повинен спрацьовувати за командою як на поверхні так і на глибині 1 км, що, по-перше, вимагає постійного обслуговування, по-друге - є складним і дорогим пристроєм, який до-того ж не відрізняється високою надійністю. До недоліків найближчого аналога необхідно віднести і те, що внаслідок невеликої різниці температур між поверхнею моря (~ 25÷30 °С) і температурою води на глибині 1 км (4 °С), до якої передбачається опускати ТЕГ, нагрівання води глибинних шарів за рахунок відведеної теплоти буде незначним. Тому розчинені у воді гази будуть виділятися з малою інтенсивністю. При цьому при закритому клапані, вони повинні накопичуватися в баластній ємкості і 1 UA 72289 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 забезпечити підйом ТЕГ до поверхні моря чи океану. Але баластна ємкість буде охолоджена до температури глибинних шарів води (4 °С) і охолоджуватиме гази, які мають збиратися в ній. Внаслідок цього, при великому гідростатичному тиску води і низькій температурі охолоджених газів останні будуть знову насичувати воду, а їх підіймальна сила буде недостатньою для того, щоб підняти ТЕГ на поверхню. Таким чином, робочий цикл ТЕГ між поверхнею води і глибиною з температурою 4 °С не буде здійснюватись, а отже функціонування такого пристрою є малоймовірним. Окрім викладеного, необхідно відмітити, що робота ТЕГ найближчого аналога (тобто генерування ним електроенергії) здійснюється лише в процесі його занурення до заданої глибини або підйому до поверхні тому, що на поверхні здійснюється зарядка теплоакумулятора теплою, а на глибині - холодною водою (теплом низького потенціалу). Однак, якщо весь корпус теплового акумулятора матиме тепловий контакт з оточуючою водою, то теплообмін між ними призведе до швидкого вирівнювання температур і зникнення робочого AT, необхідного для роботи ТЕГ. Крім того, робота термогенератора буде нестабільною, що робить очевидним необхідність застосування електричного акумулятора, який би накопичував вироблену ТЕГ електроенергію і у міру потреби дозволив би її використовувати. Задачею корисної моделі є усунення вказаних недоліків для підвищення ефективності генерації ТЕГ електричного струму та спрощення процесу його експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що термоелектричний генератор для перетворення теплової енергії моря або океану, який складається з термобатареї з холодними і гарячими спаями; акумулятора тепла, що знаходиться в тепловому контакті з гарячими спаями термобатареї; баластної ємкості з відкритою нижньою частиною і розташованою над холодними спаями термобатареї; клапана, що з'єднує верхню частину ємкості з оточуючим середовищем, згідно з корисною моделлю, містить фіксуючий пристрій для ідентифікації місця розташування термогенератора у воді; генератор ультразвукових коливань для створення високочастотних коливань на поверхні корпусу термогенератора; електроакумулюючий пристрій для акумуляції виробленої термогенератором електроенергії; клапан, який спрацьовує від зміни гідростатичного тиску води; адіабатичну теплоізоляцію корпусу теплового акумулятора та бокових граней термобатареї; концентратор, який має тепловий контакт з тепловим акумулятором та антинаростаюче покриття поверхні конструктивних елементів термогенератора, які контактують з водою, а генератор ультразвукових коливань працює за рахунок електроенергії, виробленої термогенератором і його робота може мати не постійний характер. У корисній моделі запропоновано нове технічне рішення для термоелектричних генераторів, призначених для генерування електроенергії за рахунок різниці температур різних шарів води моря або океану, яке полягає в тому, що термогенератор містить пристрій для фіксації його місця розташування у воді; генератор ультразвукових коливань, що живиться за рахунок електроенергії термогенератора і створює високочастотні коливання на його поверхні з метою запобігання її обростанню морською флорою і фауною; електроакумулюючий пристрій для забезпечення стабільної роботи термогенератора; клапан, який спрацьовує від зміни гідростатичного тиску води; адіабатичну теплоізоляцію корпусу теплового акумулятора і бокових граней термобатареї ТЕГ; тепловий концентратор та антинаростаюче покриття поверхонь термогенератора, які контактують з водою. Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, а його реалізація можлива на існуючих підприємствах термоелектричного приладобудування. Суть корисної моделі представлена на кресленні: 1 - горизонтальні фіксатори ТЕГ, 2 - вертикальні фіксатори - напрямні ТЕГ, 3 - адіабатична ізоляція корпусу теплового акумулятора і бокових граней термобатареї ТЕГ; 4 і 5 тепловирівнюючі теплопереходи, 6 - концентратор теплової енергії, 7 - електроакумулюючий пристрій, 8 - генератор ультразвукових коливань, 9 - теплоізоляція баластної ємкості, 10 клапан гідростатичного тиску, 11 - антинаростаюче покриття конструктивних елементів ТЕГ і фіксаторів. Наведений на фігурі ТЕГ містить: - фіксатори 1 і 2, які забезпечують його прив'язку до місця розташування, занурення ТЕГ на задану глибину і підйом на поверхню; - адіабатичну ізоляцію 3 корпусу теплового акумулятора і бокових граней термобатареї ТЕГ, яка перешкоджає передчасному вирівнюванню температури теплоносія в тепловому акумуляторі з температурою води навколишнього середовища і зменшує теплові втрати ТЕГ, визвані теплообміном з боковими (не робочими) гранями його термобатареї; 2 UA 72289 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - теплопереходи 4 і 5 термобатареї ТЕГ, які забезпечують її тепловий контакт з тепловим акумулятором і оточуючим ТЕГ середовищем; - концентратор теплової енергії 6, який має механічний контакт з корпусом теплового акумулятора та тепловий контакт з теплоакумулюючою речовиною (водою) в ньому і забезпечує тепловий акумулятор теплом, відібраним від теплої води у верхніх шарах і теплом низького потенціалу (холодом), отриманим від води на глибині; - електроакумулюючий пристрій 7 для накопичування електроенергії, генерованої ТЕГ, і забезпечення його стабільної роботи, в тому числі, і під час зміни робочих циклів функціонування ТЕГ; - генератор ультразвукових коливань 8, який живиться від електроакумулюючого пристрою 7 і може функціонувати як в постійному, так і в запрограмованому режимі, створюючи високочастотні коливання для запобігання обростанню конструктивних елементів ТЕГ, які контактують з морською водою, представниками морської флори і фауни; - теплоізоляцію 9 баластної ємкості, яка забезпечує накопичення газів, що виділяються з води на глибині при її нагріванні відведеним від ТЕГ теплом і збільшує їх підіймальну силу; - клапан гідростатичного тиску 10, який спрацьовує на заданій глибині, внаслідок дії гідростатичного тиску води і забезпечує накопичення газів в баластній ємкості, внаслідок чого здійснюється підйом ТЕГ до поверхні води; - антинаростаюче покриття 11 конструктивних елементів ТЕГ і фіксаторів, які контактують з морською водою. Працює ТЕГ наступним чином. У вихідному положенні ТЕГ з відкритим клапаном 10 знаходиться в стані спокою за рахунок нульової плавучості, яку йому забезпечує тепловий акумулятор наповнений повітрям. У поверхневому шарі води акумулятор тепла через тепловий концентратор 6 заповнюється теплою водою (заряджається теплом) і у міру заповнення починає за допомогою фіксаторів 1 і 2 опускатися в глибинні шари води. При цьому тепла вода з баластної ємкості через отвори в її нижній частині і через клапан, замінюється на холодну, внаслідок чого між гарячими і холодними тепловирівнюючими пластинами 4 і 5 теплобатарей ТЕГ створюється різниця температури і ТЕГ генерує електроенергію, яка акумулюється пристроєм 7. Цей процес триватиме доти, поки ТЕГ не опуститься на глибину з максимальною густиною води (~+4°), при якій спрацьовує клапан 10 внаслідок гідростатичного тиску води. При закритому клапані 10 внаслідок відведеного від ТЕГ тепла у баластній ємкості накопичуються розчинені у воді вуглекислий і інші гази, які витісняють воду з баластної ємкості. Завдяки наявності теплоізоляції баластної ємкості гази не будуть охолоджуватись оточуючою холодною водою, їх підіймальна сила збільшується. У цей час ТЕГ, масогабаритні характеристики якого такі, що разом з прийнятим баластом (водою) він має нульову плавучість на певній заданій глибині за рахунок збільшення густини оточуючої ТЕГ глибинної води, продовжує функціонувати за рахунок накопиченої теплої води, аж до її заміни через концентратор 6 на холодну воду. Після цього накопичені в баластній ємкості гази підніматимуть ТЕГ на поверхню. У процесі підйому ТЕГ генеруватиме електроенергію за рахунок різниці температур між холодною водою в теплоакумуляторі (теплотою низького потенціалу) і теплою водою, яка у верхніх шарах замінить холодну в акумуляторі тепла 6. Робочий цикл ТЕГ повториться внаслідок відкривання клапана через зменшення гідростатичного тиску води на поверхні і стравлювання газів, що накопичилися в баластній ємкості. Ефективна робота ТЕГ протягом тривалого часу буде забезпечуватися внаслідок запобігання обростанню морською флорою і фауною, яке зумовить наявність антинаростаючого покриття 11 і ультразвукового генератора 8, який може створювати високочастотні коливання як постійно, так і епізодично. Таким чином, запропонована конструкція ТЕГ, у якій відсутні недоліки, характерні для найближчого аналога, дозволяє генерувати електричну енергію завдяки термоелектричному перетворенню теплової енергії морів і океанів. Вона забезпечує отримання екологічно чистої електроенергії, що є надзвичайно актуальним у даний час. Література: 1. Benson D.K., Jayden T.S. Thermoelectric energy conversion. // Proc. 3-rd Int. Thermoel. Convers. Arlington, Tex., 1980, N.Y., 1980. - P. 27-56. 2. Патент США № 0139271 A1. 10.06.2010 p. Robert J. Howard, Nicolas. Nagurny, Laurie E. Mayer, John W. Rapp /OTEC System. 3. Патент Російської Федерації № 2031486 С1, 20.03.1995. Гринь Н.А., Лобунец Ю.Н., Струц Г.В. Термоелектрический генератор. 4. Інтернет ресурс http//silta.ua/partners/emlak/ship-repair/fouling-ru/ 3 UA 72289 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 1. Термоелектричний генератор для перетворення теплової енергії моря чи океану в електричну, який складається з термобатареї з холодними і гарячими спаями, акумулятора тепла, що знаходиться у тепловому контакті з гарячими спаями термобатареї, баластної ємкості, розташованої над холодними спаями термобатареї, яка має відкриту нижню частину, клапан, що з'єднує верхню частину ємкості з оточуючим середовищем, який відрізняється тим, що містить: - фіксатори, що забезпечують прив'язку термогенератора до місця розташування і виконують роль направляючих при його зануренні і спливанні на поверхню; - адіабатичну теплоізоляцію корпусу теплового акумулятора і бокових граней термобатареї термогенератора. - тепловирівнюючі теплопереходи термобатареї термогенератора, що мають тепловий контакт через неї з акумулятором тепла і оточуючим середовищем; - концентратор теплової енергії, що має механічний і тепловий контакт із тепловим акумулятором; - електроакумулюючий пристрій для накопичення виробленої термогенератором електроенергії; - генератор ультразвукових коливань, електричне живлення якого здійснюється від електроакумулюючого пристрою; - теплову ізоляцію корпусу баластної ємкості; - гідростатичний клапан, який забезпечує підйом термогенератора на поверхню води; - антинаростаюче покриття всіх конструктивних елементів термогенератора, які контактують із водою, для запобігання наростанню морської флори і фауни на їх поверхнях. 2. Термоелектричний генератор за п. 1, який відрізняється тим, що баластна ємкість виготовлена із теплоізоляційного матеріалу, а генератор ультразвукових коливань може функціонувати як в постійному, так і в запрограмованому режимах. 4 UA 72289 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 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 5