Система электропитания на основе генератора электрической энергии, использующего низкопотенциальную тепловую энергию с переменным направлением теплового потока (КФ-1010)

Цель – получение схемотехнического и конструктивного решений системы электропитания (СЭП) малой мощности, использующей тепловую энергию с переменным направлением теплового потока. Решаемые задачи: - патентно-информационный поиск существующих схемотехнического и конструктивного решений генераторов электрической энергии и СЭП, использующих тепловую энергию с переменным направлением теплового потока; - анализ существующих схемотехнического и конструктивного решений СЭП малой мощности, использующей тепловую энергию с переменным направлением теплового потока; - выбор или синтез технического решения СЭП малой мощности, использующей тепловую энергию с переменным направлением теплового потока; - разработка имитационной модели СЭП и проведение экспериментов по оценке работоспособности СЭП; - разработка макета СЭП использующей тепловую энергию с переменным направлением теплового потока; - изготовление макета СЭП и проведение его испытаний для проверки правильности найденных решений и их возможной корректировки. Актуальность. Автономные СЭП на основе возобновляемых источников энергии широко применяются в различных областях техники. Мощность таких автономных СЭП находится в широком диапазоне от долей ватт и до десятков мегаватт. Развитие электроники, миниатюризация датчиков, систем контроля и исполнительных механизмов приводит к снижению требуемой мощности автономных СЭП, и, как следствие актуализирует развитие маломощных автономных СЭП. Как правило первичным источником энергии маломощных автономных СЭП являются солнечные батареи (СБ). Однако такое решение не применимо для СЭП, которые планируется использовать в местах, где длительное время отсутствует световой поток. Это могут быть районы земной поверхности, находящиеся в высоких широтах или поверхности космических тел, например Луны. В высоких широтах на Земле в зимний период отсутствует солнечная радиация или её уровень очень мал. При этом существует естественные колебания температуры воздуха при относительно стабильной температуре грунта на некоторой глубине от поверхности. Подобная ситуация возникает и на космических телах, например Луне. Так продолжительность лунных дня и ночи составляют около 14,5 земных суток. За время лунного дня верхний слой грунта прогревается до температур, превышающих 100 градусов по Цельсию, а за время лунной ночи он остывает до температур ниже – 100 градусов по Цельсию. При этом на некоторой глубине от поверхности температура является относительно стабильной и близкой к средней температуре поверхностного слоя. Наличие разности температур у поверхностного и заглублённого слоёв грунта может быть использована для генерации энергии посредством термоэлектрических генераторов (ТЭГ). Кроме ТЭГ, в состав СЭП должны быть введены аккумуляторная батарея (АБ) и контроллер ТЭГ. Контроллер ТЭГ обеспечивает оптимальные режимы отбора энергии от ТЭП и исключает перезаряд и глубокий разряд АБ. Новизна. К новизне проекта следует отнести планируемое техническое решение СЭП, которое позволит производить генерацию энергии ТЭГ в условиях изменяющегося направления теплового потока через ТЭГ, вызванного более высокими и более низкими температурами поверхностного слоя грунта относительно температуры заглублённого слоя. Кроме того, планируется схемотехническое решение преобразователя электрической энергии, которое позволить производить заряд АБ при малой разности температур сторон ТЭГ, и, как следствие, малой величине напряжения на выходе ТЭГ. Область применения автономные СЭП на основе возобновляемых источников энергии очень обширна. Они находят применение в автоматических системах контроля, регулирования и измерения различных параметров объектов самого разного назначения. Обмен информацией производится по радиоканалу. Наличие АБ в составе СЭП позволяет кратковременно отбирать от СЭП значительную мощность, что необходимо для работы радиоканала или исполнительных механизмов. 1. Наука: снабжение электроэнергий автоматических станций, предназначенных для изучения космических объектов и высокоширотных территорий на Земле; 2. Промышленность: обеспечение электроэнергией датчиков, исполнительных механизмов и систем контроля на производственных объектах с большой территорией в случаях, когда подключение к стационарному источнику энергии невозможно или по стоимости выше, чем автономная СЭП; 3. Сельское хозяйство: - контроль за состоянием крупных теплокровных животных. Источник тепловой энергии – само контролируемое животное; 4. Экологический мониторинг - обеспечение электроэнергией датчиков и систем для контроля параметров окружающей среды. 4. Природопользование и биология - обеспечение электроэнергией «фотоловушек» и иных систем контроля.