АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ РАЗНЫХ ПРИРОДНЫХ СРЕД В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
AUTONOMOUS DEVICE FOR DIRECT CONVERSION OF LOW-POTENTIAL THERMAL ENERGY OF VARIOUS NATURAL ENVIRONMENTS INTO ELECTRICAL ENERGY

Изобретение относится к области энергетики, в частности к установкам автономного электроснабжения на базе тепла различных природных сред путем прямой трансформации (преобразования) тепловой энергии этих сред в электрическую энергию при отсутствии источников централизованного электроснабжения.
Значительная часть Российской Федерации относится к районам слабой заселенности со сложными климатическими условиями, таким как зона приполярных и заполярных акваторий и территорий, имеющих приоритетное значение в системе глобальных и национальных интересов страны.
Интенсивное развитие возобновляемых источников энергии в условиях Крайнего Севера позволит решить стратегическую задачу по возрождению и активному развитию арктических территорий.
Одним из путей снижения потребления ископаемых топливных ресурсов является активизация усилий в области освоения возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов. Важно отметить, что технологии использования возобновляемых низко-потенциальных источников тепла являются не только энергоэффективными, но и экологически безопасными. Их развитие позволяет снижать негативные воздействия на экологию продуктов сгорания углеводородов: оксидов углерода, азота и серы, различных канцерогенных веществ, представленных в дымовых и выхлопных газах полициклическими ароматическими углеводородами и т.д.
Техническая проблема заключается в отсутствии устройств, прямо преобразующих низко-потенциальное тепло различных природных сред в электроэнергию и способных удовлетворить не очень большие энергетические запросы индивидуальных потребителей в отсутствие централизованного электроснабжения, таких как жителей небольших поселков, метеорологических постов, автономных измерительных устройств с дистанционной передачей данных, например, используемых для диагностики состояния протяженных нефте- и газопроводов, автономных ледовых метеостанций, расположенных в устьях рек, впадающих в Северный ледовитый океан и обеспечивающих безопасную проводку большегрузных судов по узким судоходным каналам и др.
В уровне техники не обнаружено аналогов заявленного изобретения - т.е. средств, предназначенных для выработки электроэнергии путем прямого преобразования низко-потенциального тепла двух разных естественных природных сред, т.е. путем использования незначительного теплового перепада между этими средами.
Заявленное автономное устройство для прямого преобразования низкопотенциальной тепловой энергии разных природных сред в электрическую энергию характеризуется следующей взаимосвязанной совокупностью существенных признаков:
- используется трубка термосифона или тепловая трубка;
- трубка имеет заданные размеры;
- трубка заполнена хладагентом с заданной температурой кипения;
- на первом конце трубки закреплен нагреватель;
- нагреватель выполнен в виде радиатора с заданными размерами;
- нагреватель охватывает конец трубки, на котором он закреплен (ее первый конец);
- на втором конце трубки закреплен, по крайней мере, один элемент Пельтье;
- «горячий спай» элемента Пельтье (или «горячие спаи» всех элементов Пельтье) непосредственно примыкает (или примыкают) ко второму концу трубки;
- «холодный спай» элемента Пельтье (или «холодные спаи» всех элементов Пельтье) примыкает (или примыкают) к холодильнику;
- холодильник выполнен в виде радиатора с заданными размерами;
1
- нагреватель погружен (в смысле - находится в ней) в первую природную среду, имеющую температуру T, например, в подледную воду (или просто в речную, морскую воду) или в геотермальную воду, либо в грунт;
2
- холодильник погружен (в смысле - находится в ней) во вторую природную среду, имеющую температуру Т, например в атмосферу;
1
2
1
2
- термосифон используется только в случае, если T>Т, а тепловая трубка используется при любых соотношениях перепадов T и Т.
(Технологически трубка, естественно, термоизолирована, за исключением ее поверхностей, соприкасающихся с нагревателем и с «горячим спаем» элемента Пельтье.)
Совокупность существенных признаков заявленного изобретения обеспечивает достижение новых технических свойств - это автономность устройства (т.к. исключается необходимость участия оператора и не требуется постоянное обслуживание устройства), его универсальность (т.к. обеспечивается возможность использования тепла широкого круга естественных природных сред и исключается необходимость использования не возобновляемых источников тепла - газа, нефти, каменного угля и т.п.) и его высокие эксплуатационные качества (т.к. устройство не наносит вреда природе, надежно и долговечно, т.к. не содержит подвижных трущихся элементов).
Указанные новые технические свойства обусловливают достижение технического результата изобретения, который заключается в создании возможности использования тепловой энергии естественных природных сред для производства электрической энергии для решения широкого круга задач в незаселенных и слабозаселенных районах, где централизованное электроснабжение экономически нецелесообразно.
В уровне техники заявителями не обнаружено средство, содержащее совокупность признаков, которая была бы идентична или хотя бы сходна с совокупностью существенных признаков заявленного изобретения, поэтому изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Замысел изобретения заключается в разработке такой конструкции, в которой путем теплового сопряжения спаев термоэлектрического генератора Пельтье с разными природными средами создается максимально возможный температурный перепад, позволяющий использовать низко-потенциальную тепловую энергию двух предварительно выбранных разных по температуре естественных природных сред для генерации (выработки, производства) электрической энергии.
1
2
Примером таких используемых пар сред с энергетически целесообразным перепадом их температур T и Т являются пары: подледная вода - атмосферный воздух; геотермальная вода - атмосферный воздух; речная вода - атмосферный воздух; грунт (почва, щебень, песок) - атмосферный воздух. От вида выбранной пары естественных природных сред и расстояния между ними зависит и конструктивное исполнение заявленного устройства - вид используемой трубки (термосифон или тепловая трубка), ее размер и ее положение, вид хладагента и температура его кипения, количество элементов Пельтье, размеры радиаторов (т.е. нагревателя и холодильника) и др.
Сущность изобретения и характеристика его существенных признаков поясняются на конкретном примере реализации изобретения - с использованием пары сред «подледная вода - атмосферный воздух» для Арктических и субарктических районов России и с использованием трубки термосифона. Сущность изобретения поясняется с помощью иллюстрации, на которой изображен общий вид заявленного устройства с разрезом А-А, отображающем: а) - с использованием одного элемента Пельтье; б) - с использованием нескольких элементов Пельтье.
Заявленное автономное устройство для прямого преобразования низкопотенциальной тепловой энергии разных природных сред в электрическую энергию содержит:
- вертикально установленный трубчатый теплоизолированный корпус термосифона 1 заданной длины (в данном случае 4000 мм) и с наружным диаметром, например, 40 мм, заполненный хладагентом - жидкостью с заданной температурой кипения 3-5°С, переносящей тепло от испарителя в сторону конденсатора, т.е. к «горячему спаю» элемента Пельтье;
- нагреватель 2, который выполнен в виде оребренного радиатора с заданными размерами (в данном случае длиной 500 мм, с наружным диаметром 60 мм и с кольцевыми ребрами), извлекающего тепло подледной воды 3. Для обеспечения надлежащего теплового контакта нагреватель 2 охватывает нижний конец трубки термосифона 1 - он напрессован на этот конец трубки, который выполняет роль испарителя;
- элемент 4 Пельтье, который закреплен на верхнем конце трубки термосифона 1. Этот конец трубки, представляющий собой зону конденсации паров хладагента, нагревает «горячую» сторону элемента Пельтье 4. Устройство может содержать и несколько таких элементов Пельтье. Технологически элемент Пельтье 4 установлен (или установлены несколько таких элементов 4) на фланце, которым заканчивается верхний конец трубки 1 и который на иллюстрации (разрез А-А - а) и б)) изображен, но позицией не обозначен, и закреплен между трубкой 1 (т.е. между фланцем) и холодильником 5. Элемент (или элементы) Пельтье 4 закреплен (закреплены) термоизолированными болтами для предотвращения утечки тепла - минуя элемент Пельтье 4;
- холодильник 5 выполнен в виде оребренного радиатора с заданными размерами (в данном случае длиной 500 мм, с наружным диаметром 100 мм и с кольцевыми ребрами), соединенного с «холодной» стороной элемента (или элементов) Пельтье 4 и отводящего тепло в атмосферу 6. Надо отметить, что площади поверхностей нагревателя 2 и холодильника 5, участвующих в теплообмене, должны быть адекватны тепловодности используемых природных сред, контактирующих с этими нагревателем и холодильником. То есть, большой теплопроводности может соответствовать меньшая площадь теплообмена и наоборот;
1
2
1
2
- нагреватель 2 через скважину 7 во льду погружен в подледную воду 3, имеющую температуру T, а холодильник 5 находится в среде 6 атмосферного воздуха, имеющей температуру Т, причем Т>Т.
Позицией 8 на иллюстрации обозначено ледовое образование, разделяющее подледную воду 3 и атмосферу 6, а позицией 9 - опора, фиксирующая устройство на поверхности ледового образования 8 (при использовании иной пары природных сред, например, «геотермальная вода - атмосферный воздух», устройство может быть закреплено в специальной раме).
Процесс преобразования тепла подледной воды в электрическую энергию происходит следующим образом.
1
2
Тепло подледной воды с температурами от минус 4°С до 0°С (характерными для зимы в Арктике) посредством оребренного нагревателя 2 передается через нижний конец термосифона 1 хладагенту с температурой кипения минус 3-5°С, вследствие чего он испаряется. Пары хладагента перемещаются вверх по термосифону 1 (на иллюстрации это показано сплошными стрелками) и, достигая его верхнего конца, соединенного с элементом Пельтье 4, охлаждаемым оребренным холодильником 5, конденсируются, отдавая тепло примыкающему «горячему спаю» элемента Пельтье 4, и стекают по термосифону вниз (на иллюстрации это показано прерывистыми стрелками). «Холодный спай» элемента Пельтье 4 отдает поступающее тепло через оребренный холодильник 5 в атмосферу 6 со средними температурами воздуха, характерными для зимы в Арктике - минус 30°С. В результате воздействия разницы температур T и Т на противоположных «спаях» элемента Пельтье 4 на его выходе появляется постоянное напряжение с величиной, определяемой типом этого термоэлектропреобразователя и количеством подводимого тепла. Если используются несколько элементов Пельтье 4, то по потоку тепла они включаются параллельно, а по току - и параллельно и последовательно или комбинированно.
Что касается анализа существенных признаков заявленного изобретения и соответствия изобретения условию «изобретательский уровень».
Заявленная конструкция основана на использовании элемента Пельтье. В технике известно, что для получения электрической энергии с использованием элемента Пельтье необходимо извлечь из какого-то источника тепло и передать его «горячей» стороне этого термоэлектропреобразователя, а также осуществить отвод тепла от другой, «холодной» его стороны. Т.е. нужно создать нагреватель и холодильник и поместить между ними этот термоэлектропреобразователь. Конструкции на таком принципе были созданы еще в прошлом столетии и широко используются и в настоящее время.
Например, известно использование в сельской или в отдаленной местности бытового термоэлектрогенератора ТГК-3 мощностью 3 Вт, устанавливаемого на керосиновой лампе (т.е. работающего на тепле сгорания керосина) и предназначенного для питания батарейных радиоприемников.
Известен также термоэлектрический автономный источник питания [патент Российской Федерации на изобретение №2211328, Е21В 47/00, H01L 35/30, 27.08.2003], относящийся к оборудованию обеспечения бурения скважин и предназначенный для питания электроэнергией скважинной аппаратуры. Это устройство содержит установленный в разрыв бурильных колонн труб, в пазах, корпус с закрепленными на нем термоэлементами. При работе холодный буровой раствор подается внутрь колонны бурильных труб. В результате того, что температура породы в забое значительно выше температуры бурового раствора (а также имеет место подогрев бурового раствора на породоразрушающем инструменте и забойном двигателе), температура раствора в затрубном пространстве между корпусом и стенкой скважины выше, чем внутри бурильных труб. За счет этого возникает разность потенциалов на выводах термоэлемента. Полученное напряжение через электрический разъем подается на скважинную аппаратуру.
Известен также термоэлектрический генератор [патент Российской Федерации на изобретение №2031486, H01L 35/02, 20.03.1995] для преобразования тепловой энергии океана в электрическую - для питания оборудования автономных океанических буев, включающий термоэлектрическую батарею, содержащую «горячий» и «холодный» спаи, аккумулятор теплоты, имеющий тепловой контакт с «горячим спаем» термоэлектрической батареи, и балластную емкость, расположенную над «холодным спаем» термоэлектрической батареи, выполненную с открытой нижней частью и снабженную управляемым клапаном, связывающим верхнюю часть емкости с окружающей средой.
Во всех вышеприведенных известных разработках, как и в заявленном изобретении, используются термоэлементы Пельтье. Но принципиальное отличие заключается в том, что в известных разработках нагреватель непосредственно приближен к «горячему спаю» термоэлемента, контактирует с ним, пусть даже этот нагреватель является и возобновляемым источником энергии, как морская вода, которая используется в вышеприведенном патенте №2031486 и также может быть использована, как среда, в процессе работы заявленного устройства. «Термоэлемент», как существенный признак этих известных устройств, не направлен на достижение технического результата заявленного изобретения; в известных устройствах этот признак не только не нацелен на решение задачи непосредственного получения электроэнергии от двух разных примыкающих друг к другу естественных природных сред, но такая задача в этих устройствах даже и не ставится.
Концептуально - это средства совершенно иных, чем заявленное изобретение, назначений, поэтому эти средства не являются аналогами, они лишь содержат общий сходный элемент, который в технике широко применяется, причем, повторим, в этих известных решениях имеет место непосредственные тепловые контакты спаев элемента Пельтье с нагревателем и с холодильником.
Далее. Согласно изобретению, для работы устройства необходимы теплая и холодная естественные среды. Для сопряжения этих сред с термоэлектрическим генератором необходимы элементы, извлекающие тепло, транспортирующие его к «горячему спаю» и отводящие его от «холодного спая». Для извлечения низко-потенциального тепла естественных сред в необходимых количествах нужен элемент, контактирующий с большим объемом среды, содержащей это тепло, т.е. обладающий достаточно большими размерами; то же касается и элемента, отводящего тепло в другую среду. Обычно эти элементы выполнены из материалов, хорошо проводящих тепло и имеющих большие площади соприкосновения со средами - воздухом, водой, почвой и т.д. Как правило, это различные оребренные радиаторы.
Так как эти элементы (радиаторы) охватывают значительные пространства двух естественных сред, между ними должен располагаться пространственно протяженный проводник тепла с хорошими теплопроводящими характеристиками.
В качестве проводника тепла в изобретении применяется тепловая трубка или термосифон, обладающие чрезвычайно низким термическим сопротивлением при достаточно больших длинах, а значит способные передавать большое количество тепла с малыми потерями. В технике они известны, а принцип их работы основан на том, что в этих закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счет того, что жидкость испаряется на «горячем» конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на «холодном», отдавая тепло, откуда перемещается обратно на «горячий» конец тем или иным способом. Тепловые трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием изнутри. В гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести - иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения и пары хладагента могут подниматься вверх к конденсатору, а жидкость имеет возможность стекать обратно в зону испарения. Такое устройство имеет название - термосифон. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т.п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль. Такой способ передачи тепла в окружающую среду от нагретых узлов широко используется в технике, например, в настольных компьютерах и ноутбуках.
1
2
1
2
1
2
1
2
В заявленном изобретении термосифон используется, естественно, только при вертикальном его положении, и только в том случае, если нижерасположенная природная среда имеет более высокую температуру Т, чем температура Т выше расположенной среды. Тепловая трубка может использоваться при любых соотношениях перепадов температур T и Т сред (при T>Т и при T<Т) и при любом положении этой трубки: вертикальном, наклонном или горизонтальном.
Согласно изобретению, транспортер тепла - трубка - имеет заданную длину, т.к. ее концы должны быть размещены в разных тепловых естественных природных средах, которые пространственно разнесены друг от друга. Диаметр трубки определяется необходимой производительностью этого транспортера тепла. В технике известны средства передачи тепла из одной природной среды в другую, причем на значительные расстояния - например, с помощью термостабилизаторов, предназначенных для замораживания талых и охлаждения пластичномерзлых грунтов под зданиями в условиях вечной мерзлоты [https://www.npo-fsa.ru/individualnye-termostabilizatory]. Эти устройства, передавая тепло грунта на большое расстояние, на поверхность, удаляют тепло грунтов и рассеивают его в атмосфере, обеспечивая промораживание грунта на значительную глубину. Однако «термостабилизатор», как транспортер тепла, не является признаком, сходным с существенным признаком заявленного изобретения «трубка», т.к. термостабилизатор не может быть использован для достижения технического результата заявленного изобретения, для выработки электрической энергии.
Оребрение стенок нагревателя 2 и холодильника 5, как существенный признак заявленного изобретения, используется для увеличения площади теплообмена и повышения эффективности этого процесса. Оребрение в технике широко применяется - например, оно используется в том же вышеупомянутом бытовом термоэлектрогенераторе ТГК-3. Однако в заявленном изобретении этот известный технологический прием - оребрение - использован с целью увеличения площади взаимодействия поверхностей (нагревателя 2 и холодильника 5) именно с низко-потенциальными естественными природными средами, когда необходимо обеспечить максимальное использование теплового перепада для выработки электроэнергии. Известные решения, содержащие признак «оребрение», не направлены на решение такой задачи.
Таким образом, в уровне техники не известно влияние существенных признаков заявленного изобретения на достижение технического результата этого изобретения. Именно из описания заявленного изобретения (несмотря на его кажущуюся простоту), а не из известных в уровне техники решений, становится ясна причинно-следственная связь существенных признаков этого изобретения и его технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Данный результат интеллектуальной деятельности создан при выполнении тем государственного задания: №0827-2018-0002 (шифр «Оперативная океанология») и №0555-2021-0005 (шифр «Прибрежные исследования»).