Термоэлектрическая система утилизации тепловой энергии на животноводческих фермах
THERMOELECTRIC SYSTEM OF UTILIZING THERMAL ENERGY ON LIVESTOCK FARMS

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано для утилизации сбросной тепловой энергии и преобразования ее в электрическую энергию на животноводческих фермах.
Несмотря на колебания мировых цен на первичные энергоносители использование возобновляемой энергии остается одним из путей существенного снижения затрат на энергию, используемую в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и в сельскохозяйственном производстве.
Среди множества способов снижения энергоемкости производства сельхозпродукции, важное место принадлежит использованию известных возобновляемых источников теплоты, таких как: энергия солнца, ветра, геотермальных источников и т.д.
В данном случае рассматривается вопрос прямого преобразования сбросной тепловой энергии, являющейся отходами в различных технологических процессах на животноводческих фермах и превращение ее в электрическую энергию.
Из существующего уровня техники известно, что в основе преобразования тепловой энергии в электрическую энергию лежит эффект Зеебека или термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что при нагреве спая двух разнородных металлов или полупроводников (термопары) возникает термоЭДС. Для увеличения отдаваемой электрической мощности применяется метод каскадирования термопар (термоэлементов). Каскадная термоэлектрическая батарея представляет собой последовательное соединение термопар (каскадов), при котором горячий спай предыдущего каскада стыкуется (и охлаждается) с холодным спаем последующего каскада, при этом они образуют термоэлектрический модуль, работающий в режиме электрогенератора или источника холода (Шаповалов П.А. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания. Журнал «Компоненты и технологии. 2010, №12 http://kit-e.ru/artices/pjwersource/2010-12-13/.
Одним из первых выдающихся практических достижений отечественных ученых была разработка термоэлектрического генератора «Партизанский котелок» - ТГ-1 1942 г. (Вайнер А.Л. Каскадные термоэлектрические источники холода. М.: Сов. Радио, 1976, 136 с.).
Устройство позволяло обеспечивать электрической энергией мощностью 2-4 Вт питание радиостанций партизанских отрядов и заменило гальванические батареи.
Известны и серийно выпускаются термоэлектрические генераторы от несколько микроватт до десятков киловатт (Форум «Термоэлектричество как энергия будущего», uran.ru gazetanu/2011/06/nu15/wvmn р 5-15). Применяются они при больших и малых перепадах температур (подразделяются на низкотемпературные и высокотемпературные преобразователи). При этом термоэлектрические преобразователи универсальны, они работают практически от любых источников теплового потока, в том числе при малых перепадах температур.
Известны источники сбрасываемой (отходящей) тепловой энергии, использованной в различных процессах на животноводческих фермах и которую можно утилизировать с помощью термоэлектрических модулей, превращая ее в электрическую энергию (Методические рекомендации по расчету и применению систем электротеплоснабжения молочных ферм и комплексов. - М. ВИЭСХ. 1982.
Использование термогенераторов экономически целесообразно, учитывая количество теряемой тепловой энергии во всех сферах человеческой деятельности: и в быту, и в производстве, включая сельскохозяйственное производство. [Солнечная энергия и термоэлектрический генератор - источники автономного электричества. Справочник. Теомоэлектрический генератор /ЕСО-технологии/ Возобновляемые, альтернативные источники энергии (ВИЭ) 2015 г. http://www.kakras.ru/doc/energy-source.html]
На современных молочных фермах крупного рогатого скота затрачивается большое количество тепловой энергии на различные технологические процессы (отопление и вентиляция, первичная обработка молока и т.д.). Недостатком применяемого при этом технологического оборудования является его высокая энергоемкость и крайне ограниченно утилизируется сбросная тепловая энергия (например, с помощью теплоутилизаторов вентиляционных систем (Рекомендации по расчету и проектированию систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений с утилизацией теплоты выбросного воздуха. Гипронисельхоз, МИМСХ. - М., 1987. - 77 с.).
Проведенный анализ технологических процессов на примере типового проекта молочной фермы №801-01-5 показал, что затраты энергии на различные процессы на современной высокотехнологичной животноводческой ферме КРС по производству молока можно снизить за счет утилизации сбросной тепловой энергии, заключенной в дымовых газах котельной, удаляемом вентиляционном воздухе помещений фермы, парном молоке при его охлаждении, горячей воде после ее использования на хознужды. (Методические рекомендации по расчету и применению систем электротеплоснабжения на животноводческих предприятиях - М. ГНУ ВИЭСХ, 2007 - 36 с.).
Известны термоэлектрические генераторы, работающие за счет утилизации тепловой энергии различных теплоносителей. Эти устройства используются в качестве индивидуальных источников электропитания: светодиодных светильников, средств связи, устройств оповещения и сигнализации, счетчиков горячей воды и т.п. (патент на изобретение №2305347 от 27 августа, 2007 г.).
Однако известные термоэлектрические генераторы имеют недостатки, которые заключаются в том, что конструкции последних не позволяют объединить их в термоэлектрическую систему электроснабжения технологических процессов на животноводческой ферме.
Наиболее близким по технической сущности к данному предложению является система утилизации тепла с термоэлектрическими генераторами для строительной машины. (Райшев Д.В. Создание системы утилизации тепла с термоэлектрическим генератором и обеспечение ее рабочих процессов для строительной машины, на примере бульдозера Б-10М. Диссертация к.т.н. 05.05. Тюмень, 2004, 142 с. РГБ ОД, 61:05-5/1145).
В этой системе решен комплекс вопросов по обоснованию возможных компоновок систем утилизации тепловой энергии с применением термоэлектрических генераторов, что позволило значительно повысить степень использования первичного топлива и получения дополнительной электроэнергии.
Однако и эта система, несмотря на адаптацию к различным характерным потокам тепловой энергии, в силу специфических условий технологических процессов на животноводческой ферме не может быть использована в качестве генератора электроэнергии за счет утилизации теплоты.
Задачей предлагаемого изобретения является создание термоэлектрической системы генерации электроэнергии за счет утилизации сбросной тепловой энергии в выше названных технологических процессах, т.е рассматривается вопрос прямого преобразования сбросной тепловой энергии, являющейся отходами в различных технологических процессах на животноводческих фермах и превращение ее в электрическую энергию.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является то, что сбросная тепловая энергия, затраченная на различные технологические процессы на современной высокотехнологичной животноводческой ферме КРС по производству молока будет утилизирована и возвращена в виде электрической энергии, для чего применена термоэлектрическая система, в которой сбросный поток тепловой энергии от всех вышеназванных технологических процессов утилизируется и превращается в электрическую энергию. Выработанная термоэлектрическим генератором электрическая энергия с помощью блока управления и стабилизатора напряжения накапливается в буферном аккумуляторе, а затем используется потребителем (например, для освещения помещений фермы, питания контрольно-измерительной аппаратуры, средств диспетчерской связи и т.п.)
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемая термоэлектрическая система утилизации тепловой энергии на животноводческих фермах, содержащая термоэлектрический генератор, стабилизатор напряжения, аккумулятор и блок управления, содержит индивидуальные для каждого процесса тепловые мостики с присоединенными к ним соответствующими термоэлектрическими модулями, буферный аккумулятор, при этом образовавшиеся на животноводческом объекте утилизируемые тепловые потоки по индивидуальным тепловым мостикам передают эту тепловую энергию термоэлектрическим модулям, объединенным в единую электрическую схему и образующим термоэлектрический генератор, электроэнергия которого с помощью стабилизатора напряжения, буферного аккумулятора и блока управления передается потребителю, при этом термоэлектрический генератор соединен со стабилизатором напряжения, который соединен с блоком управления и аккумулятором, а также с потребителем электроэнергии.
В результате реализации предложенной системы расширяется область применения термоэлектрических генераторов, находящих все большее применение в различных областях народного хозяйства. С применением термоэлектрических генераторов возможно значительно повысить степень использования возобновляемой энергии на животноводческих объектах и получить дополнительную автономную электроэнергию для различных технологических целей.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема термоэлектрической системы утилизации тепловой энергии на животноводческих фермах.
Термоэлектрическая система включает в себя животноводческий объект 1 с исходящими утилизируемыми тепловыми потоками дымовых газов 2, вентиляционного воздуха 3, теплоты парного молока 4 и горячей воды 5, которые с помощью индивидуальных для каждого из технологических процессов тепловых мостиков тепловыми потоками дымовых газов 6, вентиляционного воздуха 7, теплоты парного молока 8 и горячей воды 9 транспортируются в соответствующие термоэлектрические модули дымовых газов 10, вентиляционного воздуха 11, теплоты парного молока 12 и горячей воды 13. Электрически термоэлектрические модули объединены в один термоэлектрический генератор 14. В систему также входит стабилизатор напряжения 15, блок управления 16 и буферный аккумулятор 17, а также потребители электроэнергии 18. При этом термоэлектрический генератор 14 соединен со стабилизатором напряжения 15, который соединен с блоком управления 16 и аккумулятором 17, а также с потребителем электроэнергии 18.
Работает термоэлектрическая система следующим образом.
На животноводческом объекте 1 в процессе жизнедеятельности животных и технологического процесса получения готовой продукции (молока) выделяется сбросная тепловая энергия, заключенная в дымовых газах котельной 2, удаляемом вентиляционном воздухе 3, парном молоке при его охлаждении 4, горячей воде после ее использования на хозяйственные нужды 5.
Эти тепловые потоки с помощью соответствующих тепловых мостиков 6, 7, 8 и 9 передаются индивидуальным термоэлектрическим модулям 10, 11, 12 и 13 соответственно, которые утилизируют тепловые потоки, превращая их в электроэнергию.
Все термоэлектрические модули объединены в единую электрическую схему и образуют термоэлектрический генератор 14. Выработанная термоэлектрическим генератором электроэнергия через стабилизатор напряжения 15 подается в буферный аккумулятор 17 и потребителю 18. Блок управления 16 анализирует энергетическое состояние схемы.
Так, например, если вырабатываемой термоэлектрическим модулем энергии достаточно для нормальной работы потребителя 18, то электроэнергия непосредственно от стабилизатора 15 подается потребителю. В противном случае в работу включается буферный аккумулятор 17 и отдает запасенную энергию потребителю 18. Подзарядка аккумулятора происходит в период эффективной работы термоэлектрического генератора.