Термоэлектрический генератор - RU166483U1

Чертежи

Описание

Полезная модель относится к устройствам прямого преобразования солнечной радиации в электрическую энергию сочетанием термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей для обеспечения экологически чистым энергопитанием автономных датчиков и средств автоматики.

В полевых условиях плодотворна идея использования компактных устройств электропитания, основанных на преобразовании солнечного света и естественных перепадов температур в течение времени суток в электроэнергию солнечными панелями и термоэлементами на солнечном коллекторе с использованием эффекта Зеебека. Облучение и перепады температур могут создаваться также внешним источником - горелки, костра, выхлопных газов двигателя и т.д. Устройство может найти применение в самых разных климатических зонах в любое время суток.

Уровень техники.

Для питания автоматических датчиков и средств автоматики в настоящее время широкое распространение получили электрогенераторы на фотоэлектрических элементах (ФЭ), обычно объединенных в солнечные панели. Солнце излучает энергию в диапазоне λ=200-3000 нм. При этом используемый ФЭ диапазон ультрафиолетовых длин волн λ=200-800 нм охватывает 58% всей энергетической эффективности солнечного излучения. В то же время 42% энергии Солнца лежит в диапазоне длин волн λ=800-3000 нм в области теплового (инфракрасного - ИК) излучения и недоступна для фотоэлементов, т.е. не используется. Кроме того, ФЭ снижают свой КПД при их нагреве, а также не способны к электрогенерации в ночное время суток. Это ведет к тому, что несмотря на то, что в некоторых образцах ФЭ достигнут КПД=20-25%, в реальных ФЭ он составляет 10-12% [Специальные электрические машины: (Источники и преобразователи энергии). Учеб. Пособие для вузов/ А.И. Бертинов, Д.А. Бут, С.Р. Мизюрин и др. Под ред. А.И. Бертинова. - Энергоиздат, 1982. - 552 с. Ил.].

Как одно из решений задачи более эффективного использования солнечной радиации в ИК-области спектра является использование термоэлектрических элементов (ТЭ), основанных на эффекте Зеебека [Самойлович А.Г. Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии. М.: 2007. ЛКИ -224 с] - преобразовании в электроэнергию перепада температур аккумуляторов тепла от Солнца, а также бросового тепла в разных его формах - тепла отходящих газов теплоэлектростанций и котельных, нефти в трубопроводах, перепада температур воздуха и проточной воды в горах и артезианских скважин и др.

Принцип эффекта Зеебека заключается в генерации термоЭДС с коэффициентом α. Прибор, работающий на этом явлении - термопара или ТЭ из N проводников с разными коэффициентами термоЭДС α_A и α_B (см. Табл. 1). Если концы проводников находятся при разных температурах Т₀ и T_L, то на концах ветвей появляется термоЭДС:

В таблице 1 приведены значения коэффициентов термоЭДС а некоторых полупроводников и металлов.

Эффективность ТЭ определяется безразмерным коэффициентом - термоэлектрической добротностью (или коэффициентом Йоффе):

где k - коэффициент теплопроводности, а Р=σα² - термоэлектрический коэффициент мощности, σ - электропроводность. КПД такой системы:

где С=α²k/2(ρ₁+ρ₂)=const, s - площадь сечения токопроводящей ветви, ρ₁ и ρ₂ - удельные сопротивления компонентов термопары. Благодаря уменьшению длины ветвей l до 0.1 нм удается практически освободиться от рассеяния направленной энергии электронов на ионных остовах решетки.

КПД удается повысить до ≈15-18% в составных термоэлектрических генераторах (ТЭГ). Такой ТЭГ позволяет получать значительные мощности уже при самых незначительных перепадах температур, всегда присутствующих в окружающей среде.

Важный, практически не используемый ресурс энергии - тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП), получаемое при кристаллизации фазоменяющего теплоаккумулирующего материала (ТАМ) при его остывании. Известно, что удельная энергоемкость ТАМ достигает 15000 кВт·ч/м³, что в 25 раз выше удельной энергоемкости воды (60 кВт·ч/м³). В качестве ТАМ могут быть применены гидратные соли и парафины, имеющие температуры фазовых переходов (ФП) в диапазоне 0÷100°С. Характеристики (температура плавления T_пл°С, теплота плавления Q_пл(кДж/кг) и плотность ρ_тв(кг/м³)), например, для кристаллогидратных солей приведены в таблице 2.

Известно устройство (аналог) по патенту RU №135540 МПК H01J 45/00 от 20.11.2013 «Термоэлектрический генератор», содержащее последовательно соединенные блок ТЭ, блок управления, аккумуляторную батарею, инвертор, а также солнечную панель, соединенную с блоком управления и аккумуляторной батареей, отличающийся тем, что он (ТЭГ) снабжен тепло (холод) проводящими пластинами, первой и второй емкостями, заполненными соответственно, первым и вторым рабочими веществами, блок ТЭ имеет верхнюю и нижнюю поверхности, на которых закреплены соответственно, первая и вторая емкости, при этом первое и второе рабочие вещества имеют возможность испытывать фазовые переходы из одного агрегатного состояния в другое в разных температурных интервалах окружающей среды в течение всего времени суток, а тепло (холод) проводящие пластины закреплены на нижней поверхности блока ТЭ и погружены во второе рабочее вещество.

Недостатками этого устройства являются:

низкая надежность работы в экстремальных условиях жаркого климата вследствие нагрева ФЭ солнечной панели и снижения ее КПД;

рабочее вещество (ТАМ) имеет определенные температуры экзотермического фазового перехода и, следовательно, тепловыделение при кристаллизации будет находиться в узком температурном и временном диапазоне.

Известно устройство (прототип) по патенту RU №134698 МПК H01J 45/00, F24J 2/42 от 20.11.2013 «Термоэлектрический автономный источник питания», включающий термоэлектрические элементы, систему охлаждения, теплообменник горячих спаев термоэлементов, блок управления, полученная электроэнергия через аккумулятор направляется к потребителям, отличающийся тем, что блок термоэлементов закреплен одной поверхностью на радиаторе с пористым капиллярным веществом, способным поглощать и испарять воду, а другой поверхностью - на теплоаккумулирующей емкости способной поглощать и накапливать за счет тепла окружающего пространства и солнечной радиации, а также генерировать тепло за счет рабочего вещества, испытывающего фазовые переходы под воздействием изменений температуры окружающей среды в течение всего времени суток; в качестве рабочего вещества используется смесь кристаллогидратных солей или парафинов, имеющих разные температуры фазовых переходов; блок управления (контроллер) выполняет функции: переключения направления, стабилизации и регулировки тока термоэлементов для зарядки аккумулятора, а также переключения работы ТЭ на режим нагрева теплоаккумулирующей емкости; к радиатору на термоэлементе прикреплен воздухозаборник, повернутый к ветру; инвертор для питания потребителей переменного тока разной частоты; к емкости прикреплен солнечный коллектор.

Известное устройство позволяет получать электроэнергию в весенне-летне-осеннее время круглосуточно.

Недостатками этого устройства являются:

низкая эффективность устройства, поскольку поглощается только 42% солнечной радиации в тепловом диапазоне спектра и не используется 58% радиации видимой части спектра;

смесь кристаллогидратных солей или парафинов, используемая в качестве рабочего вещества ТАМ, вследствие химического взаимодействия между собой не в полной мере выполняет свою функцию последовательного выделения тепловой энергии по мере охлаждения ТАМ в ночное время суток.

Задачей полезной модели является разработка термоэлектрического генератора, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности, надежности устройства и диапазона его работы в температурном и временном диапазоне в условиях круглогодичной (в том числе зимней) эксплуатации в любое время суток.

Технический результат достигается тем, что в термоэлектрический генератор, включающий последовательно соединенные первый блок термоэлементов (ТЭ), блок управления, который выполняет функции переключения направления, стабилизации и регулировки тока ТЭ для зарядки аккумулятора, инвертор, первую емкость, наполненную первым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ), радиатор с пористым капиллярным веществом, способным поглощать и испарять влагу, к которому через первый блок ТЭ прикреплена первая емкость с первым ТАМ, способным поглощать и накапливать тепло за счет изменений температуры окружающей среды и генерировать тепло за счет экзотермического фазового перехода (ЭФП) под воздействием изменений температуры окружающей среды, согласно полезной модели дополнительно введены солнечные батареи, солнечный коллектор (СК), наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью и имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность, вторая и третья дополнительные емкости, наполненные соответственно вторым и третьим ТАМ, а также второй, третий и четвертый блоки ТЭ, причем солнечные батареи прикреплены к верхней стороне СК, к нижней стороне СК прикреплен второй блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена вторая емкость, к нижней поверхности которой прикреплен третий блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена третья емкость, к нижней поверхности которой прикреплен четвертый блок ТЭ, нижней поверхностью контактирующий с первой емкостью.

При этом первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода. При этом термогенератор может содержать «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ с разными температурами ЭФП с прикрепленными к ним «n» блоками ТЭ.

Таким образом, технический результат достигается тем, что солнечные батареи, прикрепленные к внешней стороне СК с теплопроводящим рабочим веществом и с внутренней свето-, теплопоглощающей поверхностью, эффективно охлаждаются рабочим веществом СК, тем самым поддерживает высокий КПД фотоэлементов солнечной панели в жаркое время суток за счет отвода от них тепла. Солнечная батарея круглогодично (в том числе и зимой) генерирует ток в светлое время суток. Три емкости с ТАМ, имеющем разные температуры ЭФП Т_К1, Т_К2 и Т_К3 (причем Т_К2>Т_К3>Т_К1) при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней ТАМ в верхней емкости испытывают ЭФП, поддерживая разность температур ΔТ_ТЭ на блоках ТЭ, расположенных между ними. Четыре последовательно соединенных блока ТЭ выполняют функции составной термоэлектрической батареи, повышая КПД термоэлектрического генератора. Причем количество блоков ТЭ может наращиваться. Фотоэлементы солнечной панели и термоэлементы при перепадах температур ΔТ_ТЭ вырабатывают электрический ток, который по электрическим проводам передается в блок управления (контроллер), в котором ток переключается в зависимости от полярности температурных градиентов ΔТ_ТЭ на ТЭ и направляется в аккумулятор и при необходимости далее передается в инвертор для питания потребителей переменного тока необходимой частоты.

Сущность модели поясняется чертежом на фиг. 1, где изображена конструкция термоэлектрического генератора.

Цифрами на фиг. 1 обозначены:

1 - солнечные батареи,

2 - солнечный коллектор,

3 - незамерзающая, теплопроводящая жидкость,

4 - внутренняя свето-, теплопоглощающая поверхность СК,

5, 6, 7, 8 - первый, второй, третий и четвертый блоки ТЭ,

9, 10, 11 - первая, вторая и третья емкости с ТАМ,

12, 13, 14 - первый, второй и третий ТАМ с разными температурами ЭФП,

15 - радиатор,

16 - пористое капиллярное водопоглощающее/испаряющее вещество,

17 - токопроводящие электрические провода,

18 - блок управления,

19 - аккумулятор,

20 - инвертор.

Термоэлектрический генератор включает последовательно соединенные первый блок ТЭ 5, блок управления 18, который выполняет функции переключения направления, стабилизации и регулировки тока ТЭ для зарядки аккумулятора 19, инвертор 20, первую емкость 9, наполненную первым ТАМ 12, радиатор 15 с пористым капиллярным веществом 16, способным поглощать и испарять влагу, к которому через первый блок ТЭ 5 прикреплена первая емкость 9 с первым ТАМ 12, способным поглощать и накапливать тепло за счет изменений температуры окружающей среды и генерировать тепло за счет экзотермического фазового перехода (ЭФП) под воздействием изменений температуры окружающей среды.

Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что дополнительно введены солнечные батареи 1, прикрепленные к верхней поверхности солнечного коллектора 2 с незамерзающей теплопроводящей жидкостью 3 и имеющего внутреннюю свето-, теплопоглощающую поверхность 4, к нижней стороне СК прикреплен второй блок 6 ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена вторая емкость 10 со второй ТАМ 13, к нижней поверхности которой прикреплен третий блок 7 ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена третья емкость 11 с третьей ТАМ 14, к нижней поверхности которой прикреплен четвертый блок ТЭ 8, нижней поверхностью контактирующий с первой емкостью 9 с первым ТАМ 12, контактирующая с первым блоком ТЭ 5, нижней поверхностью контактирующий с радиатором 15 с пористым капиллярным веществом 16, способным поглощать и испарять атмосферную влагу. ТАМ 12, 13 и 14 с разными температурами Т_К ЭФП, испытывают ЭФП под действием изменения температуры окружающей среды.

Устройство работает следующим образом.

Солнечная радиация падает на солнечную батарею 1, расположенную на внешней стороне СК 2 и поглощается фотоэлементами солнечной панели в диапазоне длин волн λ=200-800 нм, который охватывает 58% энергетической плотности солнечного излучения и вырабатывается электрический ток, передаваемый в блок управления 18. Оставшиеся 42% солнечной радиации (в силу прозрачности фотоэлементов и зазоров между ними) поглощаются незамерзающим теплопроводящим веществом 3 СК 2, а также внутренней свето-, теплопоглощающей поверхностью 4 СК. К нижней стороне СК прикреплен блок ТЭ 6, к которому снизу прикреплена вторая емкость 10, наполненная вторым ТАМ 13 и на перепаде температур ΔТ_ТЭ между СК и поверхностью второй емкости 10 вырабатывается электрический ток, передаваемый в блок управления 18. К нижней стороне емкости 10 прикреплен блок ТЭ 7, к нижней стороне которого прикреплена третья дополнительная емкость 11, и на перепаде температур ΔТ_ТЭ между поверхностями емкостей 10 и 11 вырабатывается электрический ток. К нижней стороне емкости 11 прикреплен блок ТЭ 8, к нижней стороне которого прикреплена первая емкость 9, и на перепаде температур ΔТ_ТЭ между 11 и 9 вырабатывается электрический ток, передаваемый в блок управления 18. К нижней стороне емкости 9 прикреплен блок ТЭ 5, к нижней стороне которого прикреплен самый холодный элемент - радиатор 15, и на перепаде температур ΔТ_ТЭ между поверхностями 9 и 15 вырабатывается электрический ток. Емкости 9, 10 и 11 наполнены ТАМ 12, 13 и 14, имеющим разные температуры ЭФП Т_К1, Т_К2 и Т_К3 (причем Т_К2>Т_К3>Т_К1), которые при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней, испытывают ЭФП, поддерживая разность температур ΔТ_ТЭ на блоках ТЭ 7, 8, 5, расположенных между ними. Четыре последовательно соединенных блока ТЭ 6, 7, 8, 5 формируют составную термоэлектрическую батарею, повышающую КПД термоэлектрического генератора. Причем количество блоков ТЭ может наращиваться. Солнечная панель 1 и термоэлементы 5, 6, 7, 8 могут быть закреплены на солнечном коллекторе 2, емкостях 9, 10, 11 и радиаторе 15 через теплопроводящую пасту или притянуты скобами. Фотоэлементы солнечной панели 1 и термоэлементы 5, 6, 7, 8 при перепадах температур вырабатывают электрический ток, который по электрическим проводам 17 передается в блок управления (контроллер) 18, в котором ток переключается в зависимости от полярности температурных градиентов ΔТ_ТЭ на ТЭ и направляется в аккумулятор 19 и при необходимости далее передается в инвертор 20 для питания потребителей переменного тока нужной частоты.

Солнечные панели 1 генерируют ток круглогодично в дневное время суток. Генерация тока ночью первоначально осуществляется на ТЭ 6 при перепаде температур ΔТ_ТЭ1 между нагретым в дневное время СК 2 и емкостью 10. Далее в ходе остывания ТАМ 13 (напр. MgCl₂·6H₂O) в емкости 10 при снижении температуры до температуры Т_К2=116°С возникает ЭФП с выделением тепла, что создает дополнительную разность температур ΔТ_ТЭ между емкостями 10 и 11 и генерацию тока с ТЭ 7. Далее по мере остывания ночью наступает очередь генерации тепла и тока за счет ЭФП ТАМ 14 (напр. Na₂S₂O₃·5H₂O) с более низкой Т_К3=58°С на разности температур ΔТ_ТЭ между 11 и 9 в ТЭ 8. Наконец возникает ЭФП в ТАМ 12 (например в CaCl₂·6H₂O) с самой низкой T_K1=29.7°С на разности температур ΔT_ТЭ между 12 и радиатором 15 в ТЭ 5.

Ток от солнечных панелей 1 и термоэлементов 5, 6, 7, 8 типа ТЭС или ТЭБ, обеспечивающих выработку тока до 2 А при перепаде температур 60°С, по электрическим проводам 17 передается в контроллер 18 (например марки Atmega или TRS61100PW) и направляется в аккумулятор 19 преимущественно щелочной, не содержащий кадмия или лития, обладающий очень низким саморазрядом и при необходимости далее передается в инвертор 20 для питания потребителей переменного тока требуемой частоты.

Техническим результатом полезной модели является повышение КПД в 1,5-2 раза до 15% по сравнению с известными устройствами, а также круглогодичная и круглосуточная работа термоэлектрогенератора, т.е. увеличение времени его функционирования в среднем на 50%.

Кроме того, заявляемое устройство ТЭГ может быть применено как тепловой насос зимой. Например, в зимнее время при отрицательных температурах окружающей среды радиатор, закопанный в земле на глубине 3-10 м, где температура держится на уровне +5-+7°С или погруженный в воду (вода подо льдом или артезианская имеет температуру ≈+4°С) способен создавать обратные градиенты температур на ТЭ, которые будут генерировать ток.

Пример.

Работа устройства термоэлектрогенератора на гидратных солях MgCl₂·6H₂O, Na₂S₂O₃·5H₂O и CaCl₂·6H₂O

Для демонстрации работы ТЭГ в ночное время суток были использованы соли MgCl₂·6H₂O, Na₂S₂O₃·5H₂O и CaCl₂·6H₂O, испытывающая ЭФП при температурах соответственно T_K2=116°С, T_К3=58°С и T_K1=29.7°С. Для исследований была использована установка, приведенная на фиг. 1. Внутренняя поверхность СК была покрыта медной фольгой, химически обработанной до окрашивания меди ее окислом CuO в черный цвет. Температура радиатора, обдуваемого вентилятором (моделирование потока ветра) поддерживалась при комнатной температуре Т≈20°С. Поверхности ТЭ термопастой подсоединялись к поверхностям плоских медных емкостей с ТАМ - солями MgCl₂·6H₂O, Na₂S₂O₃·5H₂O и CaCl₂·6H₂O, что обеспечивало на термоэлементах типа ТЕС-127 ток до 2 А. Измерение термоэлектрического напряжения U_ТЭ (мВ) осуществлялось цифровым мультиметром Mastech MAS 830L класса точности 0.2, температура в СК контролировалась цифровым термометром класса точности 0,2, а в ТАМ - по градуировочной кривой, предварительно полученной для каждого ТАМ. Устройство облучалось сразу двумя лампами - аргоновой лампой высокого давления с диапазоном излучения λ=200-1000 нм (с максимумом при λ=500 нм), обеспечивающей УФ и видимый диапазон излучения Солнца для солнечной панели 18V2W Solar Charger модель №KG1800, и лампой накаливания, обеспечивающей ИК-диапазон λ=800-3000 нм излучения Солнца. Температура рабочего вещества (этиленгликоль) после 70 минут нагрева достигла 120°С и при остывании при 20°С окружающей среды и использовании термоэлементов типа ТБ 127-1,4-2,5, имеющих выходные характеристики U_MAX(В)=16.3 В, ток I_MAX=3.7 А при перепаде температур ΔТ≈70°С, обеспечило максимальную мощность Р_МАХ=37.4 ВА. Термоэлемент типа К1-241-1,4/1,1-GL-S с U_MAX (В)=18 В, током I_MAX=5,5 А при перепаде температур ΔТ≈70°С, обеспечивает максимальную мощность Р_МАХ=99 ВА.

При работе ТЭГ в зимнее время на ТЭ типа ТЕС-127-1,4-2,5 с температурой радиатора +4°С и температурой окружающей среды - 7°С, перепад температур ΔТ_ТЭ≈10°С обеспечил напряжение U_ТЭ=3.6 В. Ток зарядки аккумулятора TP 2.3-12 контролировался микроконтроллером АТМЕ-GA8515L и передавался на инвертор DC/AC НТ-Е-100-12.

Таким образом, использование заявляемого устройства ТЭГ может обеспечить круглогодичное и круглосуточное с более высоким КПД автономное питание аппаратуры. При этом ТЭГ обладает компактностью, бесшумностью и надежностью (отсутствие движущихся деталей).

Реферат

1. Термоэлектрический генератор, включающий последовательно соединенные первый блок термоэлементов (ТЭ), блок управления, который выполняет функции переключения направления, стабилизации и регулировки тока ТЭ для зарядки аккумулятора, инвертор, первую емкость, наполненную первым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ), радиатор с пористым капиллярным веществом, способным поглощать и испарять влагу, к которому через первый блок ТЭ прикреплена первая емкость с первым ТАМ, способным поглощать и накапливать тепло за счет изменений температуры окружающей среды и генерировать тепло за счет экзотермического фазового перехода (ЭФП) под воздействием изменений температуры окружающей среды, отличающийся тем, что дополнительно введены солнечные батареи, солнечный коллектор (СК), наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью и имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность, вторая и третья дополнительные емкости, наполненные соответственно вторым и третьим ТАМ, а также второй, третий и четвертый блоки ТЭ, причем солнечные батареи прикреплены к верхней стороне СК, к нижней стороне СК прикреплен второй блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена вторая емкость, к нижней поверхности которой прикреплен третий блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена третья емкость, к нижней поверхности которой прикреплен четвертый блок ТЭ, нижней поверхностью контактирующий с первой емкостью.2. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры ЭФП.3. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ с разными

Формула

3. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ с разными температурами ЭФП с прикрепленными к ним «n» блоками ТЭ.