Термоэлектрический генератор
THERMOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области прямого преобразования тепла в электрическую энергию и может быть использовано для выработки электрической энергии в теплообменниках.
Известен термоэлектрический генератор, включающий в себя теплоприемную пластину, первый теплопроводник, расположенный на поверхности теплоприемной пластины и выполненный с возможностью передачи тепла, полученного теплоприемной пластиной, термоэлектрический генерирующий модуль, расположенный на поверхности теплопроводника напротив теплоприемной пластины , второй теплопроводник, расположенный на поверхности термоэлектрического генерирующего модуля напротив первого теплопроводника, и охлаждающую пластину, расположенную на термоэлектрическом генераторном модуле напротив теплопроводника, причем по меньшей мере часть внешней периферии первого теплопроводника расположена внутри области, соответствующей паре термоэлектрического элемента Р-типа и термоэлектрического элемента N-типа, расположенных на внешней периферии термоэлектрического генераторного модуля (Заявка US 2020144475; МПК H01L 35/04, H01L 35/30, H01L 35/32; 2020 год).
Однако известный термоэлектрический генератор относится к генераторам планарного типа и в случае использования в качестве источника тепла трубы будет иметь очень низкий коэффициент полезного действия вследствие малой площади контакта термоэлектрического генератора  источником тепла, либо в этом случае требуется изготовление дополнительных теплопроводящих конструкционных элементов, что усложняет конструкцию устройства.
о
Известен термоэлектрический генератор, в котором в качестве источника тепла использована труба с отходящими газами, температура которых порядка 500С, труба снабжена оболочкой с изолирующим покрытием, имеющей ребра, через которые тепло поступает к одной стороне термоэлектрических элементов n- и p-типа, причем противоположная сторона элементов контактирует с трубой, в которую подается часть отходящих газов, где они охлаждаются за счет естественной конвенции, при этом за счет разницы в температуре на концах элементов возникает ЭДС, и электрический ток через внешние электроды поступает на источник питания (Minfeng Zhou, Yongling He, Yanmin Chen “A heat transfer numerical model for thermoelectric generator with cylindrical shell and straight fins under steady-state conditions”, Applied Thermal Engineering, 68 (2014), p. 80-91).
Однако известный генератор характеризуется невысокой удельной мощностью за счет расположения термоэлектрических элементов в известной конструкции вдоль оболочки центральной трубы по всей ее длине, что снижает использование полезного объема.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является термоэлектрический генератор, включающий термоэлектрические модули кольцевого генератора, выполненные в форме сегментов. Каждый сегмент содержит опорные ножки из термоэлектрического материала p-типа и n-типа. Для соединения модулей используются металлические соединительные листы/электроды с высокой проводимостью; два торца модуля являются концентрическими торцами дуги. Тета используется в качестве окружного угла включения опорной ножки термоэлектрического материала; r1 и r2-радиальные расстояния от центра окружности цилиндрического источника тепла до верхних и нижних концов опорных ножек термоэлектрического материала соответственно, радиальные ширины и радиусы опорных ножек термоэлектрического материала p-типа и опорных ножек термоэлектрического материала n-типа в блоках термопар находятся в прямой пропорции, а толщины и радиусы - в обратной пропорции, таким образом, опорные ножки из термоэлектрического материала p-типа и опорные ножки из термоэлектрического материала n-типа имеют равные площади сечения в радиальном направлении. Генератор высокотемпературного кольцевого сегментированного термоэлектрического материала состоит из кольцевой трубы, определенного количества модулей и экстракционных электродов, внутренняя стенка и наружная стенка кольцевой трубы выполнены из теплопроводных электроизоляционных керамических пластин, а модули зажаты между двумя слоями теплопроводных электроизоляционных керамических пластин на внутренней стенке и наружной стенке кольцевой трубы (патент CN 210535693; МПК H01L 35/04, H01L 35/32; 2020 год) (прототип).
Недостатком известного термоэлектрического генератора является невысокая удельная мощность вследствие нерационального использования рабочего объема устройства за счет радиального расположения термоэлектрических элементов. Кроме того, генератор имеет сложную конструкцию охладительной системы, а для совмещения поверхностей конструктивных элементов требуется специальная механическая обработка.
Таким образом, перед автором стояла задача разработать более простую конструкцию термоэлектрического генератора, обеспечивающую повышение удельной мощности.
Поставленная задача решена в предлагаемом термоэлектрическом генераторе, содержащем центральную трубу в качестве источника тепла, охладительную систему, два электрода, подключенных к внешней нагрузке, по крайней мере, два термоэлектрических модуля, снабженных, по крайней мере, двумя элементами n-типа и, по крайней мере, двумя элементами p-типа, соединенных между собой поочередно и последовательно и контактирующие с проводящими пластинами, в котором охладительная система выполнена в виде, по крайней мере, двух алюминиевых трубок, каждая из которых снабжена радиатором, выполненным из меди и зафиксированным посредством винта, при этом каждый термоэлектрический модуль снабжен стальным кольцом, соединенным с центральной трубой и снабженным ребром, перпендикулярным поверхности центральной трубы, на поверхности которого расположена пластина из слюды, на которой расположена пластина из серебра, а термоэлементы расположены параллельно поверхности центральной трубы, причем один торец расположен на пластине из серебра, а второй торец соединен с радиатором, при этом модули соединены между собой проволокой из серебра, а трубки охладительной системы укреплены держателями, выполненными из алюминия и зафиксированными винтами.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известна конструкция термоэлектрического генератора, в котором термоэлектрические элементы модулей расположены параллельно центральной трубе-источнику тепла, при этом один торец термоэлектрического элемента расположен на проводящей пластине из серебра, которая посредством стального кольца соединена с центральной трубой, а второй торец соединен с радиатором водоохладительной системы.
Основной конструктивной особенностью предлагаемого термоэлектрического генератора является расположение термоэлектрических элементов модулей параллельно центральной трубе, что позволило использовать более рационально рабочее пространство и, как следствие, увеличить удельную мощность генератора на 5% по сравнению с удельной мощностью известного генератора-прототипа( патент CN 210535693) и на 10% по сравнению с удельной мощностью известного генератора(“A heat transfer numerical model for thermoelectric generator with cylindrical shell and straight fins under steady-state conditions”). Параллельное расположение термоэлектрических элементов относительно центральной трубы предопределило конструктивные особенности соединения элементов с источником тепла и охладительной системой. Так, автором было предложено оснастить центральную трубу стальным кольцом, имеющим ребро, перпендикулярное поверхности центральное трубы, разместив на нем торцы термоэлектрических элементов, соединив их, таким образом, с источником тепла. Противоположные торцы элементов было предложено соединить с охладительной системой путем контакта с радиаторами, расположенными на трубках охладительной системы. Предлагаемая конструкция обеспечивает не только увеличение удельной мощности, но и конструктивно является более простой и компактной.
На фиг.1 схематично изображена конструкция предлагаемого термоэлектрического генератора.
На фиг. 2 схематично изображена конструкция термоэлектрического модуля предлагаемого генератора.
Предлагаемый термоэлектрический генератор имеет центральную трубу(1) в качестве источника тепла. Водоохладительная система(2) выполнена, по крайней мере, из двух алюминиевых трубок(8), каждая из которых снабжена радиатором(9), изготовленным также из меди. Конструкция генератора предполагает наличие, по крайней мере, двух термоэлектрических модулей(4). Каждый модуль состоит из стального кольца (11), плотно прилегающего к центральной стальной трубе (1). Кольца (11) имеют ребра (12), располагающиеся перпендикулярно центральной трубе (1). Ребра (12) колец (11) являются горячими сторонами модуля(4). На ребро (11) наносится изолирующее покрытие, выполненное из слюды (13), на которое, в свою очередь, помещают проводящую пластину (7), изготовленную из серебра. Модуль(4) состоит, по крайней мере, из двух термоэлектрических элементов n–типа (5) и двух элементов p–типа (6), соединенных поочередно и последовательно. Торцы термоэлектрических элементов (5, 6) расположены на пластине (7). Термоэлектрические элементы (5, 6) располагаются вокруг центральной трубы (1) и параллельно ее поверхности, а также перпендикулярно к ребрам (12) стальных колец (11). В качестве холодной стороны служат поверхности медных радиаторов (9). Радиаторы (9) прилегают к охладительным трубкам (8) и фиксируются при помощи винтов (10). Охладительные трубки (8) являются частью конструкции холодной стороны. Трубки (8) изготавливаются из алюминия. Центральная труба (1) и охладительные трубки (8) фиксируются металлическими держателями (15) при помощи винтов (16). Термоэлектрические элементы (5, 6) соединяются последовательно в электрическую цепь коммутационными элементами (3, 7, 14). Коммутационными элементами на холодной стороне являются поверхности медных радиаторов (9). Коммутационными элементами на горячей стороне являются серебряные пластины (7). Модули соединяются между собой алюминиевыми проволоками (14). Внешние серебряные электроды (3) припаиваются к первой и последней серебряным пластинам в последовательной электрической цепи и выводятся из двух металлических держателей (15) модуля.
Термоэлектрический генератор предлагаемой конструкции работает следующим образом. В центральную трубу (1) подводится нагретый газ, являющийся источником тепла. Тепло от центральной трубы (1) передается стальному кольцу (11). Один торец термоэлектрического элемента (5, 6) нагревается за счет тепла, переданного от ребра (12) стального кольца (11). При этом изолирующее покрытие, выполненное из слюды (13), на которое, в свою очередь, помещена проводящая пластина (7), с которой непосредственно контактирует торец термоэлектрического элемента (5, 6) обеспечивают достаточное количество тепла для нагрева элемента до температуры, обеспечивающей появление термоЭДС. Противоположный торец элемента (5, 6) охлаждается за счет передачи тепла от термоэлектрического элемента (5, 6) к медному радиатору (9). Радиаторы (9) охлаждаются за счет охладительных трубок (8), по которым подается жидкость, являющаяся теплоносителем. За счет создания температурного градиента вдоль термоэлектрических элементов (5, 6) инициируется процесс появления разницы потенциалов (термоЭДС) на концах данных элементов. Для увеличения выходного напряжения модуля(4), термоэлектрические элементы(5, 6) были соединены поочередно и последовательно, поскольку, при последовательном соединении термоэлектрических элементов, полное напряжение в цепи равно сумме возникающих термоЭДС каждого термоэлектрического элемента. Термоэлектрические элементы n–типа (5) и p–типа (6) соединены серебряными пластинами (7) на ребрах (12) стальных колец (11) и поверхностью медных радиаторов (9) трубок (8) охладительной системы (2). При этом генератор может состоять, например, из 10 модулей (4), которые электрически соединены между собой серебряной проволокой (14), а каждый модуль может, например, состоять из 24 термоэлектрических элементов (5, 6). Для соединения термоэлектрического модуля с внешней нагрузкой, первый внешний электрод (3) припаян к первой серебряной пластине электрической цепи модуля, второй – к последней серебряной пластине электрической цепи модуля. Первый внешний электрод (3) выведен через первый металлический держатель (15) модуля, второй – через второй металлический держатель. По внешним электродам (3) на внешнюю нагрузку, в случае подключения, поступает электрическая энергия.
Таким образом, автором предлагается конструкция термоэлектрического генератора, обеспечивающая повышение удельной мощности наряду с упрощением конструкции.