Термоэлектрический генератор

Полезная модель относится к термоэлектрогенераторному оборудованию, а именно к устройствам круглосуточной выработки электроэнергии путем прямого преобразования перепада температур в электроэнергию с помощью термоэлектрических преобразователей, основанных на эффекте Зеебека, и может быть использована в экологически чистых устройствах электропитания коммунально-бытовых объектов, системах электропитания автономных датчиков, приборов и средств автоматики, независимых устройств подзарядки аккумуляторов, датчиков JPS-навигации, метеокомплексов в климатических зонах с резким перепадом температур в течение времени суток - в горных, пустынных местностях, на морских побережьях и др. Задачей полезной модели является обеспечение круглосуточной выработки электроэнергии и повышение надежности работы в условиях эксплуатации в экстремальных климатических условиях. Технический результат достигается тем, что термоэлектрический генератор, содержащий последовательно соединенные блок термоэлементов, блок управления, аккумуляторную батарею, инвертор, а также солнечную батарею, соединенную с блоком управления и аккумуляторной батареей, согласно настоящей полезной модели, снабжен тепло(холод)проводящими пластинами, а также первой и второй емкостями, заполненными, соответственно, первым и вторым рабочими веществами, блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхности, на которых закреплены, соответственно, указанные 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 термоэлементов и погружены во второе рабочее вещество. При этом в качестве первого и второго рабочих веществ используют кристаллогидратные соли, имеющие разные температуры фазовых переходов. При этом термоэлектрический генератор снабжен первым и вторым, а также третьим датчиками температуры, соответственно первого и второго рабочих веществ, а также окружающей среды, которые соединены с блоком управления, при этом блок управления выполнен с возможностью переключения направления, стабилизации и регулировки тока блока термоэлементов для зарядки аккумуляторной батареи. При этом боковая поверхность первой емкости выполнена в виде параболоида вращения. 3 з.п. ф-лы, 3 илл.

Полезная модель относится к термоэлектрогенераторному оборудованию, а именно к устройствам круглосуточной выработки электроэнергии путем прямого преобразования перепада температур в электроэнергию с помощью термоэлектрических преобразователей, основанных на эффекте Зеебека, и может быть использована в экологически чистых устройствах электропитания коммунально-бытовых объектов, системах электропитания автономных датчиков, приборов и средств автоматики, независимых устройств подзарядки аккумуляторов, датчиков JPS-навигации, метеокомплексов в климатических зонах с резким перепадом температур в течение времени суток - в горных, пустынных местностях, на морских побережьях и др.

Уровень техники

Системы электропитания на солнечных батареях (фотоэлектрических панелях) не способны обеспечить энергопитание автономных дистанционных систем, датчиков, приборов и средств автоматики, независимых устройств подзарядки аккумуляторов сигнальных устройств, датчиков JPS-навигации, метеокомплексов в круглосуточном режиме.

Мощность солнечной радиации в европейской части РФ (в июле) в среднем составляет 167 кВт·час/м ², что условно означает 1 кВт/м² в течение 5.5 часов/сутки, и максимальная освещенность в полдень G не превышает 700-750 Вт/м². Фотоэлектрический модуль средней мощностью =1 Вт в течение 5.5 часов выработает на квадратный метр следующее количество энергии W:

,

где k - коэффициент, равный 0,5 зимой и 0,7 летом, - значение инсоляции.

В ночное время мощность панели равна нулю и возникает проблема энергоснабжения для освещения и питания оборудования.

Для прямого получения электрической энергии можно использовать термоэлементы (ТЭ), работающие на эффекте Зеебека - возникновении разности потенциалов U₁ -U₂=Ez в точке контакта двух разных металлов или полупроводников, пропорциональной разности температур (T₁-Т₂ ) горячей Т₁ и холодной Т₂ поверхностей ТЭ:

,

где - коэффициент термоЭДС, который определяется материалами ветвей ТЭ. В батареях из N числа полупроводниковых ТЭ под воздействием разности температур Т=₁-Т₂ возникает напряжение, равное:

,

Коэффициент полезного действия ТЭ характеризуется уравнением:

,

где - удельное сопротивление, k - теплопроводность. То есть максимальный эффект достигается при минимальных значениях сопротивления и теплопроводности используемых металлов или полупроводников.

Максимальная мощность, снимаемая с батареи ТЭ достигается при равенстве сопротивлений нагрузки и внутреннего сопротивления R батареи:

.

Для нагрева «горячей» поверхности ТЭ можно использовать солнечные тепловые коллектора, панели или конденсоры, эффективность которых определяется формулой:

,

где _o=0.717 - КПД преобразователя, ₁=1.52 Вт/м²К и ₂=0.0085 Вт/м²К - коэффициенты потерь, (Т_М-Т_А) - разность температур рабочего вещества (PB) и окружающей среды. При использовании смеси воды+40% этиленгликоля и уровне солнечной радиации G=700 т/м², =4.3%.

В случае использования термоэлектрического генератора (ТЭГ), основанного на фазовых переходах, принцип его работы заключается в использовании внутренней теплоты фазового перехода.

Известно устройство (аналог) «Power generation using thermal gradients maintained by phase transitions» («Выработка энергии использованием температурных градиентов от фазовых переходов») по патенту US 7810330 В1, 12.10.2010, авторы S.C. Weaver, D. Weaver, S.P. Weaver.

В известном устройстве электроэнергия генерируется из окружающей среды тепловыми машинами типа машины Стерлинга, преобразующими перепад температур в нетепловую (механическую) форму энергии. Перепады температур в окружающей среде в течение суток вызывают фазовый переход в теплоносителе, передающем тепло, что создает температурный градиент. Рабочая среда осуществляет обратный фазовый переход, отдавая тепло в тепловую машину. Устройство включает конструктивные компоненты: для преобразования разницы температур в нетепловую форму энергии; для обеспечения контакта теплоносителя с преобразователями тепла, расположенными в окружающей среде, обеспечивающей фазовый переход; для повторного наполнения теплоносителя с целью осуществления обратного фазового перехода.

Однако, наличие тепловой машины, ряд преобразований тепла делает устройство недостаточно компактным и удобным, и не обеспечивает прямого преобразования тепла в электроэнергию, что ведет к снижению коэффициента полезного действия.

Известно устройство (прототип) для превращения солнечной энергии в электрическую по патенту RU 2402719 C1, МПК F24J 2/42, 27.10.2010, содержащее термоэлектрические элементы (термоэлектрические генераторы - ТЭГ), систему охлаждения, включающую электрический насос, блок сравнения, блок управления; дополнительно содержит выпуклые линзы, установленные на платформе с возможностью приема солнечных лучей и фокусировки их на теплообменнике горячих спаев ТЭГ; электрический вентилятор, вход которого подключен через тепловое реле к блоку питания, а выход связан с теплообменником горячих спаев. Полученная электроэнергия через аккумуляторы направляется к потребителям.

Известное устройство позволяет получать электроэнергию только в весенне-летне-осеннее время в ясную погоду в дневное время суток.

Недостатками этого устройства являются:

невозможность генерации электрической энергии в ночное время (когда она особенно необходима);

низкая надежность работы в условиях эксплуатации в экстремальных климатических условиях из-за сложности конструкции и электрической схемы;

необходимость в электронасосе и его питании для системы охлаждения;

необходимость специальной платформы с системой линз, фокусирующих солнечный свет.

Задачей полезной модели является обеспечение круглосуточной выработки электроэнергии и повышение надежности работы в условиях эксплуатации в экстремальных климатических условиях.

Технический результат достигается тем, что термоэлектрический генератор, содержащий последовательно соединенные блок термоэлементов, блок управления, аккумуляторную батарею, инвертор, а также солнечную батарею, соединенную с блоком управления и аккумуляторной батареей, согласно настоящей полезной модели, снабжен тепло(холод)проводящими пластинами, а также первой и второй емкостями, заполненными, соответственно, первым и вторым рабочими веществами, блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхности, на которых закреплены, соответственно, указанные 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 термоэлементов и погружены во второе рабочее вещество.

При этом в качестве первого и второго рабочих веществ используют кристаллогидратные соли, имеющие разные температуры фазовых переходов.

При этом термоэлектрический генератор снабжен первым и вторым, а также третьим датчиками температуры, соответственно первого и второго рабочих веществ, а также окружающей среды, которые соединены с блоком управления, при этом блок управления выполнен с возможностью переключения направления, стабилизации и регулировки тока блока термоэлементов для зарядки аккумуляторной батареи.

При этом боковая поверхность первой емкости выполнена в виде параболоида вращения.

Таким образом, технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом генераторе блок термоэлементов одной поверхностью контактирует с дном первой емкости, заполненной первым рабочим веществом, испытывающим фазовый переход в определенном температурном интервале, боковая поверхность которой имеет параболическую форму выполняя роль солнечного коллектора во внешней среде, концентрируя солнечные лучи на первом рабочем веществе, а другой поверхностью, на которой закреплена вторая емкость, заполненная вторым рабочим веществом, блок термоэлементов контактирует с тепло(холод)проводящими пластинами, погруженными во второе рабочее вещество, также испытывающее фазовый переход в другом температурном интервале.

К блоку управления (контроллеру) подключены датчики температуры первого и второго рабочих веществ, а также окружающей среды. Выход блока управления подключен к аккумуляторной батарее. К аккумуляторной батарее подсоединены солнечная батарея и инвертор (преобразователь напряжения постоянного тока) для питания потребителей электроэнергии переменным током.

Фазовые переходы (ФП) «жидкость»«твердое тело» всегда сопровождаются выделением тепла Q при кристаллизации и поглощением его при плавлении.

Надлежащий подбор рабочих веществ с разными температурами ФП в первой и второй емкостях термоэлектрического генератора позволяет практически в любое время суток получать максимальную разность температур на пластинах термоэлементов блока термоэлементов, в том числе и в ночное время.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого термоэлектрического генератора, а на фиг. 2 - зависимость от времени t (мин) термоэлектрического напряжения £/) (мВ) на выводах блока термоэлементов в ходе нагрева-остывания CaCl₂·6H₂O. На фиг. 3 представлена фотография предлагаемого термоэлектрического генератора.

Цифрами на фиг. 1 обозначены:

1 - блок термоэлементов,

2 - верхняя поверхность блока термоэлементов,

3 - нижняя поверхность блока термоэлементов,

4 - первая емкость,

5 - первое рабочее вещество,

6 - тепло(холод)передающие пластины,

7 - вторая емкость,

8 - второе рабочее вещество,

9 - первый датчик температуры,

10 - второй датчик температуры,

11 - третий датчик температуры,

12 - блок управления,

13 - инвертор,

14 - аккумуляторная батарея,

15 - электрические выводы блока термоэлементов,

16 - солнечная батарея.

Термоэлектрический генератор содержит последовательно соединенные блок 1 термоэлементов (термоэлектрическую батарею), блок 12 управления, аккумуляторную батарею 14, инвертор 13, а также солнечную батарею 16, соединенную с блоком 12 управления и аккумуляторной батареей 14. Блок 1 термоэлементов (термоэлектрическая батарея) посредством электрических выводов 2 соединена с блоком 10 управления.

Отличием предлагаемого термоэлектрического генератора, является то, что он снабжен тепло(холод)проводящими пластинами 6, а также первой 4 и второй 7 емкостями, заполненными, соответственно, первым 5 и вторым 8 рабочими веществами. Блок 1 термоэлементов имеет верхнюю 2 и нижнюю 3 поверхности, на которых закреплены, соответственно, указанные первая 4 и вторая 7 емкости.

Первое 5 и второе 8 рабочие вещества имеют возможность испытывать фазовые переходы из одного агрегатного состояния в другое в разных температурных интервалах окружающей среды в течение всего времени суток. Тепло(холод)проводящие пластины 6 закреплены на нижней поверхности 3 блока 1 термоэлементов и погружены во второе рабочее вещество 8. В качестве первого 5 и второго 8 рабочих веществ используют кристаллогидратные соли, имеющие разные температуры фазовых переходов. Термоэлектрический генератор снабжен первым 9 и вторым 10, а также третьим 11 датчиками температуры, соответственно первого 5 и второго 8 рабочих веществ, а также окружающей среды, которые соединены с блоком 12 управления. Блок 12 управления выполнен с возможностью переключения направления, стабилизации и регулировки тока блока 1 термоэлементов для зарядки аккумуляторной батареи 14. Боковая поверхность первой емкости 4 выполнена в виде параболоида вращения.

Модель предлагаемого термоэлектрического генератора (ТЭГ) вместе с цифровым термометром, солнечной батареей (фотопанелью 18V2W Solar Charger модель KG1800), мультиметром Mastech MAS830L, блоком управления (микроконтроллером ATMEG A8515L), аккумуляторной батареей TP 2.3-12, инвертором DC/AC HT-E-100-12 показана на фотографии (фиг. 3). Видно, что даже при температуре окружающей среды равной 21,1°С (цифровой термометр слева), напряжение, снимаемое с ТЭГ равно 13.62 В (мультиметр справа).

Предлагаемый термоэлектрический генератор работает следующим образом.

Время работы устройства на переменном токе от аккумулятора с инвертором определяется формулой:

,

где С - емкость аккумулятора (A·час), Р - мощность подключенного устройства (Вт).

При использовании аккумуляторной батареи TP 2.3-12, с емкостью 2.3 A-час и инвертора НТ-Е-100-12 для питания зарядного устройства мощностью 8 Вт, время работы без подзарядки составит около 3 часов.

Электрический ток вырабатывается блоком 1 термоэлементов за счет перепада температур Т_ТЭ между его поверхностями 2 и 3. В утреннее время верхняя поверхность 2 - холодная, а нижняя поверхность 3 теплая, и перепад температур Т_ТЭ возникает как отрицательная разность температур Т_ТЭ между холодной первой емкостью 4 с закристаллизовавшимся за ночь первым рабочим веществом 5 и еще теплым вторым рабочим веществом 8, находящимся во второй емкости 7, имеющей контакт с нижней поверхностью 3 через тепло(холод)проводящие пластины 6.

Далее под действием солнца происходит нагрев первого рабочего вещества 5. В момент максимальной разности температур между поверхностями 2 и 3 блока 1 термоэлементов направление генерируемого тока, по команде с датчиков 9, 10, 11 температур, соответственно первого 5 и второго 8 рабочих веществ, а также окружающей среды, блоком 12 управления (контролером, имеющим в своем составе переключатели направления тока) меняется на противоположное. Для зарядки аккумуляторной батареи 14 тем же направлением тока блоком 12 управления также должен переключить направление тока на спаях электрических выводов 15 блока 1 термоэлементов.

В дневное время первое рабочее вещество 5 нагревается, полностью переходит в жидкое состояние, и Т_ТЭ сохраняется нарастающее положительным. Таким образом, в светлое время суток перепад температур возникает между горячим первым рабочим веществом 5, находящимся под солнцем, и холодным вторым рабочим веществом 8 во второй емкости 7. Одновременно происходит постепенный нагрев и плавление второго рабочего вещества 8 за счет теплового контакта через пластины 6.

Аккумуляторная батарея 14 также заряжается от солнечной батареи (фотопанели) 16.

В ночное время перепад температур возникает в результате экзотермического эффекта кристаллизации первого рабочего вещества 5, в результате чего поддерживается положительная разность температур+Т_ТЭ между горячей верхней 2 и холодной нижней 3 поверхностями блока 1 термоэлементов. После того, как ночью температура первого рабочего вещества 5 снизится (в результате охлаждения внешней среды), производится переключение направления генерируемого тока на противоположное в тот момент, когда специально подобранный к этой температуре экзотермический фазовый переход второго рабочего вещества 8 начинает создавать градиент температур -Т_ТЭ, но уже от нижней 3 к верхней 2 поверхности блока 1 термоэлементов. Переключение направления тока осуществляется по сигналам датчиков температур 9, 10, 11, соответственно первого 5 и второго 8 рабочих веществ, а также окружающей среды.

В качестве первого 5 и второго 8 рабочих веществ могут быть выбраны кристаллогидратные соли, имеющие разные температуры фазовых переходов - CH3COONa·3H₂O и Na₂SO₄ ·10H₂O (для зон с жарким климатом), Na₂ S₂O₃·5H₂O и CaCl₂ ·6H₂O (для зон с умеренным климатом).

Функциональная схема предлагаемого термоэлектрического генератора имеет вид, представленный на фиг. 1. Технический результат достигается путем выработки электроэнергии с использованием блока 1 термоэлементов (термоэлектрической батареи типа ТЕС1-12706С), кристаллогидратных солей, имеющие разные температуры фазовых переходов, блока 12 управления (контроллера типа Atmega), в необходимое время переключающего направление генерируемого тока, а также солнечной батареи 16 (фотопанели), подключенной непосредственно к аккумуляторной батарее 14.

Положительным эффектом в устройстве является круглосуточная работа термоэлектрического генератора, т.е. увеличение времени его функционирования как минимум на 50%.

Пример. Работа термоэлектрического генератора на кристаллогидратной соли CaCl₂·6H₂O.

Для демонстрации работы термоэлектрического генератора в дневное и ночное время в нашей северной климатической зоне была использована кристаллогидратная соль CaCl₂·6H₂O, испытывающая фазовый переход первого рода при температуре Т _ФП=29,7°С с теплотой плавления Q=170 кДж/кг. Температура на «холодной» нижней поверхности 3 блока 1, состоящего из термоэлементов типа ТЕС1-12706С, через тепло(холод)проводящие пластины 6 поддерживалась вторым рабочим веществом 8 - льдом, замерзшем в конце ночи. «Горячая» верхняя поверхность 2 термопастой подсоединена к дну первой емкости 4 с кристаллогидратной солью CaCl₂·6H₂O, первоначально («утром»), находящейся в закристаллизованном состоянии. Измерение термоэлектрического напряжения U_TЭ (мВ) осуществлялось цифровым милливольтметром Mastech MAS830L класса точности 0,2, температура контролировалась цифровым термометром класса точности 0,2.

На фиг. 2 представлена зависимость от времени t (мин) термоэлектрического напряжения U_ТЭ (мВ) на выводах блока 1 термоэлементо в ходе нагрева-остывания кристаллогидратной соли CaCl₂ ·6H₂O.

Как это видно из графика, максимальная разность создаваемых на блоке 1 термоэлементов потенциалов возникает при нагреве до 49°С в конце 3-го часа и составляет U=760 мВ (на одном термоэлементе ТЕС1-12706С), что соответствует 20 мВт мощности.

В «ночное время» при фазовом переходе начала кристаллизации наблюдается экзотермический эффект - скачок напряжения, составляющий U_ТЭ92 мВ на выводах термоэлемента ТЭМО-7 и U=200 мВ на термоэлементе ТЕС1-12706С, которое поддерживалось на уровне U=340 мВ в течение двух часов при токе I=0.5 мА. Следует отметить, что эти данные получены на одном термоэлементе и в довольно холодное время. Процесс генерации электроэнергии можно регулировать изменением объема первого 5 и второго 8 рабочих веществ, и изменяя число термоэлементов в блоке 1 термоэлементов.

Аналогичные зависимости были получены и для других кристаллогидратных солей. Экзотермический эффект продолжался почти 4 часа, т.е. весь процесс нагрева-остывания растянут на 8-9 часов. При наличии блока термоэлементов и растянутом на несколько часов процессе остывания в ночное время первой 5 и второй 8 рабочих веществ, предлагаемый термоэлектрический генератор даже при 20°С «холодной» нижней поверхности 3 может обеспечить напряжением -U_ТЭ=0,72-1 В, что достаточно для питания нескольких светодиодных источников света. Если же использовать в блоке 1 термоэлементы типа К1-241-1,4/1,1-GL-S с параметрами (по паспорту) U_MAX(В)=18 В, током I_MAX=5,5 А при перепаде температур T70°С, то предлагаемый термоэлектрический генератор устройство (с учетом КПД) мощность Р_ТЭМАХ=10 ВА, а при фазовом переходе с T10°С получим Р_ТЭ2 ВА.

В качестве солнечной батареи 16 (фотопанели) была использована полисиликоновая панель 18V2W Solar Charger Model #KG1800 с максимальными эксплуатационными параметрами: выходное постоянное напряжение 18 В, максимальный ток 110 мА при освещенности 10000 люкс. Оптимальное время использования панели - с 8 до 17 часов. В нашем эксперименте на третьем часе максимального наг рева выходные напряжение и ток с фотопанели были: U=19.2 В, I=8.1 мА, т.е. мощность Р_ФВ=1.5 ВА.

В утренние и вечерние часы напряжение падает до U=12 В, I=0.5 мА, т.е. мощность =0.6 . Ночью все параметры самой фотопанели нулевые и Р _ФВ=0 ВА, в то время, как предлагаемый термоэлектрический генератор обеспечивает мощность близкую к _ТЭ=0.2 всего на одном термоэлементе ТЕС1-12706С при его площади 4×4 см² и максимальные значения до Р_ТЭ =2 ВА на К1-241-1,4/1,1-GL-S. Число термоэлементов может быть кратно увеличено и мощность может быть доведена (в ночное время) до 125 Вт/м² для ТЕС1-12706С и 1250 Вт/м² для К1-241-1,4/1,1-GL-S.

Таким образом, использование предлагаемого термоэлектрического генератора может обеспечить автономное питание электроэнергией радиоэлектронной аппаратуры в дневное и обеспечить освещение в ночное время суток. При этом термоэлектрический генератор обладает компактностью, бесшумностью, долговечностью и надежностью, поскольку нет движущихся деталей.

1. Термоэлектрический генератор, содержащий последовательно соединенные блок термоэлементов, блок управления, аккумуляторную батарею, инвертор, а также солнечную батарею, соединенную с блоком управления и аккумуляторной батареей, отличающийся тем, что он снабжен тепло(холод)проводящими пластинами, первой и второй емкостями, заполненными соответственно первым и вторым рабочими веществами, блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхности, на которых закреплены соответственно указанные 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 термоэлементов и погружены во второе рабочее вещество.

2. Термоэлектрический автономный источник питания по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого и второго рабочих веществ используют кристаллогидратные соли, имеющие разные температуры фазовых переходов.

3. Термоэлектрический автономный источник питания по п.1, отличающийся тем, что он снабжен первым и вторым, а также третьим датчиками температуры соответственно первого и второго рабочих веществ, а также окружающей среды, которые соединены с блоком управления, при этом блок управления выполнен с возможностью переключения направления, стабилизации и регулировки тока блока термоэлементов для зарядки аккумуляторной батареи.

4. Термоэлектрический автономный источник питания по п.1, отличающийся тем, что боковая поверхность первой емкости выполнена в виде параболоида вращения.