NO319871B1 - Termoelektrisk generator - Google Patents

Description

Dette konsept, som heretter vil bli benevnt oppfinnelsen, gjelder en elektrisk generator av den type som omfatter termoelektriske halvledermoduler basert på Seebeckef-fekten, særlig en termoelektrisk generator for undervanns bruk, for å supplere brønnhoder.

For elektrisk tilførsel til utstyr (ventiler, instrumentering etc.) som hører til brønnutstyr for petroleum er det allerede kjent å bruke elektriske generatorer som utnytter den termoelektriske virkning som skyldes temperaturforskjellen mellom produktene som hentes ut, dvs. olje ved relativt stor temperatur (over 40 °C) og som strømmer i en boreseksjon eller et rør, og den undersjøiske omliggende formasjon som kan betydelig lavere temperatur, i størrelsesorden noen få grader Celsius. Et større antall termoelementer anordnes i dette tilfelle konsentrisk i hylser langs en rørseksjon og koples elektrisk i serie eller parallell for å frembringe elektrisk strøm. De termiske grenseflater for slike moduler strekker seg tangentialt i forhold til rørseksjonens sirkulære tverrsnitt.

En slik anordning av modulene begrenser deres antall for hver lengdeenhet langs rørseksjonen. Man kan vanligvis ikke få plassert mer enn åtte moduler over seksjoner med standard dimensjon, f.eks. med 150 mm diameter. Følgelig vil den elektriske kraft man kan ta ut fra en slik generator være temmelig beskjeden.

En annen ulempe med en slik modulmontering er at man ikke har noen sikkerhet for at modulene kan motstå trykket når generatorer med innesluttet rørseksjon senkes ned til store dybder, f.eks. til 2 km ned i havbunnen.

Endelig er ikke varmevekslingen i det indre av rørseksjonen optimalisert særlig godt. Oppfinnelsen søker å unngå disse ulemper, ved å foreslå en termoelektrisk generator som kan gi større elektrisk effekt og som dessuten kan senkes ned til store dyp, f.eks. 2 km, hvilket ikke er uvanlig for enkelte typer oljeboring.

For teknisk bakgrunn for oppfinnelsen skal vises til US-patentene 3 794 527, 5 228 923 og 3 097 027.

I og med oppfinnelsen foreslås på denne bakgrunn således en elektrisk generator av den type som omfatter termoelektriske generatormoduler som er festet og elektrisk isolert mellom de to vegger av en rørseksjon som skiller et internt fluid i bevegelse fra et eksternt fluid, og hvor det interne og eksterne fluid har forskjellig temperatur. Denne generator utmerker seg spesielt ved at modulene er anordnet slik at deres varmevekslingsflater strekker seg tilnærmet normalt på det indre fluids strømningsretning.

Ifølge et foretrukket karakteristisk trekk ved denne generator anordnes modulene på de to sider av en krage som strammes radialt inn mot rørseksjonen, og i en særskilt utførelse kjennetegnes videre generatoren ved å omfatte minst én klemring som strammer til og isolerer elektrisk minst én slik krage og de termoelektriske moduler som er anordnet på denne/disse.

Fortrinnsvis omfatter generatoren en tett stabel av krager og klemringer som holder disse krager tilstrammet inn mot og langs rørseksjonen.

Andre fordeler med oppfinnelsens generator vil fremgå av beskrivelsen nedenfor, idet denne ikke skal anses begrensende men illustrerer bestemte eksempler med tegningene, hvor fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en typisk slik termoelektrisk generator, fig. 2 viser i større målestokk et tverrsnitt langs A-A på fig. 1, fig. 3 viser i enda større målestokk en utskåret detalj i snittet A-A på fig. 2, og fig. 4 viser skjematisk koplingsskjemaet for generatoren.

Fig. 1 viser altså oppfinnelsens termoelektriske generator som generelt har form av en hylse 1 rundt en rørseksjon 2 som hører til et brønnhode (ikke vist) neddykket i sjøvannet 3. Rørseksjonen 2 inneholder et flytende produkt 4 som heretter vil bli kalt olje og som utvinnes fra en boret brønn. Oljen føres i retningen F gjennom rørseksjonen 2.

Hylsen har et sentralt rør som f.eks. er av stål, og utenpå dette er festet radialt en rekke krager 6, f.eks. av kobber. Kragen er holdt på plass utenpå røret på i og for seg kjent måte, f.eks. med kilebolter 7 som strekker seg langs rørlengden. På kragenes to sider som vender i det sentrale rørs og rørseksjonens 2 lengderetning, en på hver side av hver krage er det anordnet flere termoelektriske generatormoduler 8, f.eks. i antallet 13 på hver flate. Modulene er jevnt fordelt og strekker seg ut mot kragenes ytteromkrets. Hver enkelt modul er seriekoplet og utvendig tilkoplet en felles elektrisk ledning 5 (fig. 2 + 3). Modulene er på kjente måte satt sammen plant av termoelektriske halvlederpar som med sine to flater 8a og 8b ved forskjellig temperatur tillater varmeveksling. Flatene 8a og 8b er altså anordnet normalt på oljens strømningsretning F i rørseksjonen 2.

Modulene 8 er av i og for seg kjent konstruksjon og er valgt med hensyn til dimensjoner (lengde, bredde, tykkelse) antallet termopar pr modul og særlig med hensyn til forholdet mellom overflaten og tykkelsen av termopar (halvledermateriale N eller P) som hvert danner halvdelen av paret. Man foretrekker liten tykkelse som fører til en liten indre motstand. F.eks. bruker man termoelementer som har form av rektangulære plater med dimensjon omkring 60 x 30 mm, og på denne måte kan 254 termopar av vismuttellurid arbeide bra opp til omkring 300 °C med et forhold overflate/tykkelse på 0,079 ?(cm?).

Et isolasjonsmateriale (for elektrisk isolasjon) omslutter hver krage, og modulene er skilt av et isolasjonsmateriale 9 for både termisk og elektrisk isolasjon for å konsentrere virkningen.

To og to krager 6 som vender mot hverandre omsluttes utvendig av en klemring 10 som dekker dem og f.eks. er av kobber/aluminium. To naboklemringer danner sammen U-eller V-fasong og er bygget opp med to komplementære deler 10a, 10b som er holdt sammen med en bolt 11.

Klemringen 12 i enden av rekken av øvrige klemringer 10 (den nederste klemring 12 på fig. 1, tilsvarende den øverste på rørseksjonen) har en særskilt profil i lengdesnitt. En pakning 13 er lagt utenpå en del av klemringen og hindrer ujevn trykkbelastning på de øvrige klemringer 10 og slik at ikke modulene 8 får særlig forskjellig dykkpåkjenning når rørseksjonen senkes ned til store dyp. Oppfinnelsens generator egner seg derfor for dyp-utvinning. Hele rekken av krager 6 med omsluttende klemringer og innmonterte termoelementmoduler 8 danner, som vist på fig. 1, en lengre stabel over hele rørseksjonens 2 lengde. For å holde de enkelte elementer sammen under trykk brukes f.eks. fire strekkbolter 14 i hvert av de fire hjørner av en flens 15a, 15b i hver ende av stabelen (fig. 1 og 2). Strekkboltene sikrer altså en god inneslutning og fluidtetthet.

Den ene av flensene, f.eks. flensen 15a vist øverst på fig. 1 er festet permanent ved sveising eller på annen måte til ytterveggen av rørseksjonen 2, mens den andre flens (i dette tilfelle den nederst viste flens 15) bare hindres i dreining på rørseksjonen, ved f.eks. et kileskruesystem. På denne måte holdes strekkboltene aksiale.

Flensen 15b kan også beveges noe i lengderetningen, slik at strekkboltene unngår deformasjon.

Etter monteringen monteres den komplette termoelektriske generator på rørseksjonen 2 med et forbindelsessystem med skjøtestykker 16, gjerne demonterbare og beregnet for å skrus på den flens 15b som ikke er fast forbundet med rørseksjonen. Selve strømforsyningen til utrustning i brønnhodet skjer på den måte som skal forklares nå: Fig. 4 viser hvordan den termoelektriske generator 1 er koplet elektrisk via to brytere 20 og 21 til et batteri 22, f.eks. en blyakkumulator med gelelektrolytt og hvor hydrogenet som frigis fjernes, enten ved katalyse eller direkte ved utførsel til sjøvannet 3. Batteriet er en i en vanntett batterikasse eller en liketrykkomslutning, og på batteriklemmene er anordnet en strømføler 23 for å registrere strømmen som går fra batteriet og ut til en linje 24 for et forbrukernett. En regulatorkrets 25 og en bryterkrets 26 er også anordnet for styring hhv aktivering av bryterne.

Under normal drift, dvs. når effektbehovet er i størrelsesorden 100 W er den første bryter 20 lukket, mens den andre bryter 21 er åpen. Generatoren 1 gir energi via regulatoren 25 som holder batteriet 22 under lading og ved konstant spenning, f.eks. 17,6 W. Linjen 24 og forbrukernettet forsynes derved med elektrisk energi ved konstant spenning, hvilket begrenser energiforbruket og sikrer god autonomi, inntil fem år, uten vedlikehold.

Et betydelig større kraftbehov, f.eks. en korttidseffekt på 1000 W innebærer at regulatoren og batteriet aktiveres som en kraftreserve.

I tilfelle den termoelektriske generator 1 skulle svikte eller bare gi redusert ytelse, ved f.eks. at sirkulasjonen av varm olje i rørseksjonen 2 blir dårlig, åpnes den første bryter 20, mens den andre bryter 21 også er åpen, og dette betyr at bare batteriet holdes i drift. Når varmekilden igjen kommer i drift kan batteriet lades via regulatorkretsen 25 eller av generatoren 1, i avhengighet av utladingsnivået, ved styring av bryterne 20, 21 i samsvar med informasjon som tar hensyn til spenningsverdien på utgangen, ved hjelp av bryterkretsen 26.

I den utstrekning den nominelle effekt som trengs for forbrukernettet ikke forbrukes kontinuerlig vil generatoren gi energioverskudd for lading av batteriet som ved behov deretter kan håndtere energiforbrukstopper.

Virkemåten for den termoelektriske generator 1 som er beskrevet ovenfor er slik: Det interne varme fluid som utgjøres av olje som sirkulerer i en rørseksjon på f.eks. 150 mm diameter kan ha en temperatur på omkring 60 °C og en gjennomstrømning på omkring 500 m<J> pr dag. Det eksterne kalde fluid er sjøvann 3 ved 4 °C og som beveger seg med maksimal hastighet på 1 m/s.

På hver krage 6 er det i det viste eksempel montert 26 termoelektriske moduler 8 (dvs 13 på hver side), og man stabler 26 krager oppå hverandre slik at det dannes en hylse med lengde 1,7 m. Derved oppnås en nominell på 170 W, hvilket betyr 100 W pr meter hylselengde.

Ved å velge katodisk beskyttelse og egnede materialer (kobber/aluminium) i kragene har man liten risiko for korrosjon. Sjøvannsangrep fra yttersiden kan unngås ved bestrykning med en maling. Intern tilsmussing kan undertrykkes ved hjelp av kjente midler 17 for avsmussing og anordnet på innersiden av rørseksjonen der hvor det indre fluid sirkulerer, dvs oljen. Midlene kan tjene til både endring av strømningshastigheten og økning av varmevekslingen mellom det indre fluid og innerveggen.

Generatoren ifølge oppfinnelsen er meget kompakt og kan derfor lett innordnes i et brønnhode for oljeutvinning.

Claims (12)

1. Elektrisk generator (1) av den type som omfatter termoelektriske generatormoduler (8) som er festet og elektrisk isolert mellom de to vegger av en rørseksjon (2) som skiller et intert fluid (4) i bevegelse fra et eksternt fluid (3), og hvor det interne og eksterne fluid har forskjellig temperatur, karakterisert ved at modulene (8) er anordnet slik at deres varmevekslingsflater strekker seg tilnærmet normalt på det indre fluids (4) strømnings-retning (F).

2. Generator ifølge krav 1, karakterisert ved at modulene (8) er anordnet på hver av de to flater på en krage (6) som er anordnet radialt på rørseksjonen (2) og er strammet på plass på denne.

3. Generator ifølge krav 2, karakterisert ved minst én klemring (10) for å holde minst én krage (6) tilstrammet samtidig med elektrisk isolasjon av det eksterne fluid (3) fra kragen eller kragene, og fra modulene som er montert på denne eller disse.

4. Generator ifølge krav 3, karakterisert ved en tett anordnet stabel av krager (6) og klemringer (10), anordnet langs rørseksjonen (2).

5. Generator ifølge krav 4, karakterisert ved at det rom som avgrenses mellom den tette stabel av krager og de termoelektriske generatormoduler (8) er fylt med termisk og elektrisk isolasjon (9).

6. Generator ifølge krav 4, karakterisert ved at en endeklemring (12) avslutter stabelen i begge ender og er dimensjonert slik at påkjenningen på modulene (8), forårsaket av klemringene (10) mellom endeklemringene (12) og som er underlagt et eksternt trykk, er uavhengig av størrelsen av dette trykk.

7. Generator ifølge krav 4, karakterisert ved strekkbolter (14) anordnet aksialt nær omkretsen av kragene (6) og ført gjennom en flens (15a, 15b) i hver ende av stabelen.

8. Generator ifølge krav 7, karakterisert ved at en av flensene (15a, 15b) er fast forbundet med rørseksjonen (2), mens den andre av dem i det minste er hindret i dreining i forhold til denne, slik at strekkboltene (14) holdes aksiale.

9. Generator ifølge krav 8, karakterisert ved et forbindelsesstykke (16) som er demonterbart og anordnet nær den av flensene (15a, 15b) som ikke er fast forbundet med rørseksjonen (2).

10. Generator ifølge krav 1, karakterisert ved at rørseksjonen omfatter midler (17) for avsmussing og økning av varmevekslingsvirkningen mellom det indre fluid (4) og rør-seksjonens (2) innervegg.

11. Anvendelse av den termoelektriske generator ifølge ett av de foregående krav, for elektrisk energiforsyning av utrustning tilhørende et brønnhode.

12. Undervanns elektrisk generator ifølge ett av de foregående krav 1-10, karakterisert ved å være parallellkoplet med et batteri (22) som kan motstå stort undervannstrykk, via kretser som særlig omfatter to brytere (20, 21), en regulatorkrets (25) og en bryterkrets (26).