СПОСОБ РАБОТЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА
METHOD OF WORK OF THERMOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к способу прямого преобразования солнечной радиации в электрическую энергию сочетанием термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей для обеспечения экологически чистым энергопитанием автономных датчиков, контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИП и А), бытовых систем электропитания.
В полевых условиях плодотворна идея использования термоэлектрических генераторов (ТЭГ), основанных на преобразовании солнечного света и естественных перепадов температур в течение времени суток в электроэнергию термоэлементами (ТЭ) с использованием эффекта Зеебека и солнечными панелями на фотоэлементах (ФЭ). Облучение и перепады температур могут создаваться также внешними источниками - горелками, выхлопными газами котельных и теплоэлектростанций, двигателей, ядерными отходами и т.д.
Для питания автоматических датчиков и средств автоматики в настоящее время широкое распространение получили электрогенераторы на солнечных батареях (СБ), обычно объединенных в солнечные панели. Фотоэлектрическая мощность системы определяется мощностью СБ, а тепловая мощность - эффективностью солнечного коллектора (СК). Солнце излучает энергию в диапазоне λ=200-3000 нм. При этом используемый диапазон ультрафиолетовых (УФ) и видимых длин волн λ=200-800 нм охватывает 58% всей энергетической эффективности солнечного излучения. В то же время 42% энергии Солнца лежит в диапазоне λ=800-3000 нм в области теплового (инфракрасного - ИК) излучения и недоступна для СБ.
Ф
Эффективность СБ (выражаемая через КПД) зависит от температуры T, при которой они работают. Повышение Т на один градус ведет к тому, что КПД падает на ≈0.5%. В реальных же условиях СБ могут нагреваться до высоких температур Т. В этом случае КПД η ФЭ определяется формулой:
о
о
2
где η - КПД при стандартных условиях: Т=Т=25°C, освещенности 1000 Вт/м; k - температурный градиент, зависящий от типа и конструкции СБ. Кроме того, СБ не способны к электрогенерации в ночное время. Это ведет к тому, что хотя в некоторых опытных образцах СБ достигнут КПД=20-25%, в реальных 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.].
кол
возд
кол
возд
0
1
2
a
а
Солнечный коллектор (СК) в составе гелиоустановки выполняет двоякую роль: накапливает солнечную энергию в виде тепла и отводит тепло потребителю. Встает вопрос о выборе типа коллектора, тепловой КПД которого зависит от вида коллектора и разницы температур между температурой СК T и температурой воздуха T [http://www.energy-bio.ru/suncoll6.htm]. Максимальный КПД все типы СК имеют при T=Т, но у СК в виде абсорбера он достигает КПД=90%. Для оценки эффективности СК в зависимости от интенсивности солнечного излучения Е используются паспортные данные: оптический коэффициент полезного действия (η) и коэффициенты тепловых потерь ( и ), которые с КПД связаны уравнением:
кол
возд
Для абсорбера КПД от (T-T) он будет иметь вид:
0
о
2
где η=90 - КПД при стандартных условиях: Т=Т=25°C, освещенности 1000 Вт/м, k=0.02 - коэффициент, зависящий от типа и конструкции СК.
Из всех абсорбирующих покрытий самым эффективным считается высокоселективное покрытие Sunselect, Tinox, поглощающее 95% и излучающее 5% энергии Солнца.
Зимой СК засыпаются снегом и только у плоских СК можно реализовать режим принудительной оттайки, их также можно монтировать вертикально для получения максимума КПД в зимний период.
A
B
0
L
Термоэлементы (ТЭ) используют на основе эффекта Зеебека преобразование в электроэнергию перепада температур аккумуляторов тепла, Солнца и окружающей среды, бросового тепла в разных его проявлениях. Принцип эффекта заключается в генерации термоЭДС с коэффициентом α. Устройство, работающее на этом явлении - термопара или ТЭ из N полу/проводников с разными коэффициентами термоЭДС α и α (таблица 1). При разных температурах Т и T на концах проводников появляется термоЭДС:
Значения термоЭДСα(мкВ/К) (мкВ/К) для Т=300°К
Эффективность ТЭ определяется безразмерным коэффициентом - термоэлектрической добротностью ZT (или коэффициентом Йоффе):
2
3
2
где σ - электропроводность, α и k - коэффициенты термоЭДС и теплопроводности. В отличие от СБ, значение ZT с ростом T увеличивается, достигая ZT=1 для наиболее распространенного ТЭ-материала BiТе в температурном диапазоне Т=353÷423 К (80÷150°C). Следовательно растет термоэлектрический коэффициент мощности Р=σα и КПД η ТЭ по формуле:
2
1
2
1
2
где С=αk/2(ρ+ρ)=const, s - площадь сечения токопроводящей ветви, ρ и ρ - удельные сопротивления компонентов термопары.
КПД и мощность ТЭ-батареи удается повысить на несколько процентов в каскадном ТЭГ, состоящем из нескольких параллельно/последовательно соединенных ТЭ. Так, каскадная ТЭ-батарея с ТЭ из халькогениды сурьмы и висмута при работе в интервале температур 50→550°C имели КПД=11%. Каскадная ТЭ-батарея из этих же ТЭ повысила КПД до 13,5%, т.е. на 2.5%.
3
3
3
пл
пл
тв
Наконец 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/м, что в 25 раз выше удельной энергоемкости воды (60 кВт⋅ч/м). В качестве ТАМ могут быть применены гидратные соли и парафины, имеющие температуры ЭФП в диапазоне 0÷100°C. Характеристики (температура плавления Т°C, теплота плавления Q(кДж/кг) и плотность ρ (кг/м)), например, для кристаллогидратных солей приведены в таблице 2.
Характеристики для кристаллогидратных солей
Таким образом, для решения задачи повышения эффективности ТЭГ могут быть применены следующие меры:
1. Снижение рабочей температуры солнечных батарей;
2. Использование солнечного коллектора;
3. Применение ТЭ для использования излучения в ИК-области спектра;
4. Использование каскадных батарей ТЭ;
5. Использование тепла ЭФП.
Известен способ работы термоэлектрического генератора (ТЭГ) по патенту RU №135540, МПК H01J 45/00 от 20.11.2013, содержащего последовательно соединенные блок ТЭ, блок управления, аккумуляторную батарею, инвертор, а также солнечную панель, соединенную с блоком управления и аккумуляторной батареей, при этом ТЭГ снабжен тепло(холод)проводящими пластинами, первой и второй емкостями, заполненными соответственно первым и вторым рабочими веществами ТАМ, 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, передавая ему тепло от первого рабочего вещества.
Недостатками этого способа являются:
ненадежность работы в экстремальных условиях жаркого климата вследствие нагрева солнечной панели и снижения ее КПД;
рабочее вещество (ТАМ) имеет четко определенные температуры ЭФП и, следовательно, тепловыделение при кристаллизации будет находиться в узком температурном и временном диапазоне.
Известен способ работы термоэлектрического генератора (ТЭГ) по патенту RU №134698, МПК H01J 45/00, F24J 2/42 от 20.11.2013, содержащего термоэлектрические элементы, теплообменник горячих спаев термоэлементов, блок управления, полученная электроэнергия через аккумулятор направляется к потребителям, при этом 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 тока термоэлементов для зарядки аккумулятора, а также переключения работы ТЭ на режим нагрева теплоаккумулирующей емкости. Известное устройство и способ его работы позволяют получать электроэнергию в весенне-летне-осеннее время круглосуточно.
Недостатками этого способа являются:
относительно низкая эффективность, поскольку поглощается только 42% солнечной радиации в ИК-диапазоне спектра и не используется 58% радиации видимой части спектра;
ограниченные возможности применения в зимнее время;
смесь кристаллогидратных солей или парафинов, используемая в качестве ТАМ для использования тепла ЭФП, вследствие химических взаимодействий между разными ТАМ и потери эффекта ЭФП не в полной мере выполняет свою функцию последовательного выделения тепловой энергии по мере охлаждения ТАМ в ночное время суток.
Задачей изобретения является разработка способа работы термоэлектрического генератора, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности, надежности и температурного и временного диапазона термоэлектрогенерации в условиях круглогодичной (в том числе зимней) и круглосуточной эксплуатации.
1
1
ТЭ1
ФЭ
2
ТЭ2
2
3
ТЭ3
3
4
ТЭ4
ФЭ
ТЭ2
ТЭ3
ТЭ4
Технический результат достигается тем, что в способе работы термоэлектрического генератора первый теплоаккумулирующий материал (ТАМ1) в первой емкости поглощает и накапливает тепло за счет изменений температуры окружающей среды и тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП1) при температуре Т под действием изменений температуры окружающей среды, тепло передается через нижнюю поверхность первой емкости в первый блок термоэлементов (ТЭ1), далее через нижнюю сторону ТЭ1 передается на радиатор с пористым капиллярным веществом, которое испаряя/поглощая атмосферную влагу, понижает/повышает температуру радиатора, создавая градиент температур ΔT, который преобразуется в ТЭ1 в термоэлектрический ток I, который передается в блок управления, в котором ток переключается, стабилизируется, регулируется и заряжает аккумулятор, далее ток передается на инвертор, в котором преобразуется в переменный ток требуемой частоты, согласно изобретению используют дополнительно введенные солнечные батареи (СБ), солнечный коллектор (СК), имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность и наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью, вторую и третью емкости, наполненные соответственно вторым и третьим теплоаккумулирующими материалами ТАМ2 и ТАМ3, а также второй ТЭ2, третий ТЭ3 и четвертый ТЭ4 блоки ТЭ, причем СБ, с промежутками расположенные на верхней стороне СК, поглощают солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=200-800 нм и генерируют дополнительный ток I, а тепло нагрева СБ передается СК, понижая температуру СБ; внутренняя свето- и теплопоглощающая поверхность СК поглощает солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=800-3000 нм, прошедшую сквозь СБ и промежутки между ними, и нагревает незамерзающую, теплопроводящую рабочую жидкость, тепло которой через нижнюю теплопроводящую поверхность СК передается во второй блок термоэлементов (ТЭ2), создавая на нем градиент температур ΔТ, который преобразуется в ток I, далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ2 передается на вторую емкость, наполненную вторым ТАМ2 и нагревает его, которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП2) при температуре Т, далее тепло ТАМ2 передается через нижнюю поверхность второй емкости в третий блок термоэлементов (ТЭ3), создавая на нем градиент температур ΔТ, который преобразуется в ток I, далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ3 передается на третью емкость, наполненную третьим ТАМ3 и нагревает его, которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП3) при температуре Т, далее тепло ТАМ3 передается через нижнюю поверхность третьей емкости в четвертый блок термоэлементов (ТЭ4), создавая на нем градиент температур ΔT, который преобразуется в ток I, далее тепло передается на радиатор, а дополнительные токи I, I, I и I по проводам передаются в блок управления.
2
3
1
Первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода, причем Т>Т>Т.
Дополнительные токи получают от ЭФП «и» дополнительных емкостей с «n» ТАМ от градиентов температур на «n» блоках ТЭ.
1
2
3
2
3
1
Таким образом, технический результат достигается тем, что солнечные батареи эффективно охлаждаются рабочим веществом СК через его верхнюю поверхность, тем самым поддерживается высокий КПД СБ в жаркое время за счет отвода от них тепла на рабочее вещество СК. СБ круглогодично (в том числе и зимой) генерирует ток в светлое время суток. Далее через теплопередающее дно СК тепло передается на блок ТЭ2. Три емкости с теплоаккумулирующими материалами, имеющими разные температуры ЭФП Т, Т и Т (причем Т>Т>Т), при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней ТАМ в верхней емкости, испытывают ЭФП, поддерживая разность температур ΔT на блоках ТЭ, расположенных между ними. Четыре последовательно соединенных блока ТЭ выполняют функции составной термоэлектрической батареи, повышая КПД термоэлектрического генератора.
Радиатор с пористым капиллярным веществом, испаряет атмосферную влагу в жаркое время суток, тем самым создавая положительный (сверху вниз) градиент температур +ΔT. В холодное время пористое капиллярное вещество поглощает влагу, создавая отрицательный -ΔT (снизу вверх) градиент температур. И в том, и в другом случае эти градиенты используются для выработки электроэнергии.
ТЭ
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема термоэлектрического генератора, реализующего предлагаемый способ, а на фиг. 2 представлены термоэлектрические напряжения U (мВ).
Цифрами на фиг. 1 обозначены:
1 - солнечные батареи,
2 - солнечный коллектор с медным нижним дном,
3 - незамерзающая, теплопроводящая жидкость,
4 - внутренняя свето-, теплопоглощающая и теплопередающая поверхность/дно солнечного коллектора,
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 содержит 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.
К
В термоэлектрический генератор 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 ЭФП, испытывают ЭФП под действием изменения температуры окружающей среды.
ФЭ
Отличительной особенностью предлагаемого способа работы ТЭГ является то, что дополнительно введенные СБ 1 поглощают солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=200-800 нм и генерируют дополнительный ток I, а тепло нагрева СБ передается СК 2, понижая температуру СБ.
2
ТЭ2
Внутренняя свето- и теплопоглощающая поверхность СК 4 поглощает солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=800-3000 нм, прошедшую сквозь СБ и промежутки между ними, и нагревает незамерзающую, теплопроводящую рабочую жидкость 3, тепло которой через нижнюю теплопроводящую поверхность СК передается во второй блок 6 термоэлементов (ТЭ2), создавая на нем градиент температур ΔТ, который преобразуется в ток I.
2
3
ТЭ3
Далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ2 передается на вторую 10 дополнительную емкость, наполненную вторым 13 ТАМ2, и нагревает его, и которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП2) при температуре Т, далее тепло ТАМ2 передается через нижнюю поверхность второй емкости 10 в третий блок 7 термоэлементов (ТЭ3), создавая на нем градиент температур ΔT, который преобразуется в ток I.
3
Далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ 7 передается на третью емкость 11, наполненную третьим ТАМ3, и нагревает его, и которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП3) при температуре T.
4
ТЭ4
Далее тепло ТАМ3 передается через нижнюю поверхность третьей емкости в четвертый 8 блок термоэлементов (ТЭ4), создавая на нем градиент температур ΔT, который преобразуется в ток I, далее тепло передается на радиатор.
ФЭ
ТЭ2
ТЭ3
ТЭ4
Дополнительные токи I, I, Iи I по проводам передаются в блок управления.
2
3
1
Первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода, причем Т>Т>Т.
Дополнительные токи получают от ЭФП «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ от градиентов температур на «n» блоках ТЭ.
Способ работы термоэлектрического генератора реализуют следующим образом.
1
2
3
4
К1
К2
K3
K2
K3
K1
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 и далее в аккумулятор 19. 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 и через теплопередающую нижнюю поверхность СК передается на верхнюю сторону блока ТЭ 6. К блоку ТЭ 6 снизу прикреплена вторая емкость 10, наполненная вторым ТАМ 13, и на перепаде температур +ΔT 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 емкость 11, и на перепаде температур +ΔТ 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 +ΔT между 11 и 9 вырабатывается электрический ток. К нижней стороне емкости 9 прикреплен блок ТЭ 5, к нижней стороне которого прикреплен самый холодный элемент - радиатор 15, и на перепаде температур +ΔT между поверхностями 9 и 15 вырабатывается электрический ток. Емкости 9, 10 и 11 наполнены ТАМ 12, 13 и 14, имеющим разные температуры ЭФП T, Т и Т (причем T>T>7), которые при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней, испытывают ЭФП, поддерживая разность температур  ΔT 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. В холодное время суток и зимой возможна смена направлений градиентов температуры за счет того, что, например радиатор, закопанный в почву, будет иметь более высокую температуру, чем вышерасположенные емкости с ТАМ. Но в любом случае 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 градиентов ΔT на ТЭ и направляется в аккумулятор 19, а при необходимости далее передается в инвертор 20 для питания потребителей переменного тока нужной частоты.
1
2
2
K2
2
2
2
3
2
K3
3
2
2
К1
4
Солнечные панели 1 генерируют ток круглогодично в дневное время суток. Генерация тока ночью первоначально осуществляется на ТЭ 6 при перепаде температур ΔТ между нагретым в дневное время СК 2 и емкостью 10. Далее в ходе остывания ТАМ 13 (напр. MgCl⋅6HO) в емкости 10 при снижении температуры до температуры T=116°C возникает ЭФП с выделением тепла, что создает на блоке ТЭ 7 дополнительную разность температур ΔT 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 (например, NaSO⋅5HO) с более низкой T=58°C на разности температур ΔТ между 11 и 9 в ТЭ 8. Наконец, возникает ЭФП в ТАМ 12 (например, в СаСl⋅6НO) с самой низкой Т=29.7°C на разности температур ΔT в ТЭ 5 между емкостью 9 с ТАМ 12 и радиатором 15 с пористым веществом.
TЭ
2
2
2
2
3
2
2
2
K2
K3
К1
ТЭ
ТЭ
2
2
ТЭ
2
2
3
2
ТЭ
2
2
ТЭ
ТЭ
На фиг. 2. представлены термоэлектрические напряжения U (мВ), последовательно вырабатываемые термоэлементом марки ТЕС-127-1,4-2,5, контактирующим с поверхностями емкостей с ТАМ из гидратных солей MgCl⋅6HO, NaSO⋅5HO и СаСl⋅6НO, испытывающими ЭФП при температурах соответственно Т=116°C, Т=58°C и Т=29.7°C. Как видно из графиков, все три ТАМ вырабатывают термоэлектрическое напряжение U (мВ), снижающееся после первоначального значения U (мВ)=750 мВ (после нагрева до 63°C). На 3-й минуте остывания наблюдается первый ЭФП в ТАМ MgCl⋅6HO (кривая 1), длившийся 7 минут и давший прирост U (мВ)=30 мВ. Затем, на 12-й минуте наблюдается второй ЭФП в ТАМ NaSO⋅5HO (кривая 2), длившийся 16 минут и давший прирост U (мВ)=50 мВ. Наконец, на 60-й минуте остывания наблюдается третий ЭФП в ТАМ СаСl⋅6НO (кривая 3), длившийся 3 часа и давший прирост U (мВ)=200 мВ. Далее по мере остывания процесс генерации с U (мВ)=100 мВ продолжается еще два часа. Как видим, эффективности ТАМ разные (возможно в силу чистоты солей) и наиболее эффективной является последнее ТАМ. 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°C, по электрическим проводам 17 передается в контроллер 18 (например, марки Atmega или TRS61100PW) и направляется в аккумулятор 19 преимущественно щелочной, обладающий низким саморазрядом и далее передается в инвертор 20 для питания потребителей переменного тока нужной частоты.
Техническим результатом изобретения за счет охлаждения ФЭ солнечным коллектором, использования ТЭ между СК, емкостями и радиатором, использования трех разных ТАМ с разными температурам ЭФП, использования составной конструкции ТЭГ, использования пористого вещества радиатора, охлаждающегося при испарении и нагревающегося при поглощении атмосферной влаги, является повышение КПД до 15%, увеличение температурного и временного интервала работы ТЭГ в 1.5 раза.
При этом ТЭГ может быть применен и зимой. Например, в зимнее время при отрицательных температурах окружающей среды радиатор, закопанный в земле на глубине 3 м, где температура держится на уровне +5-+7°C или погруженный в воду (вода подо льдом имеет температуру ≈+4°C) способен создавать обратные градиенты температур на ТЭ, которые также будут генерировать ток.
Пример конкретного выполнения
2
2
2
2
3
2
2
2
Работа термоэлектрического генератора на гидратных солях MgCl⋅6HO, NaSO⋅5HO и СаСl⋅6НO
2
2
2
2
3
2
2
2
K2
K3
K1
H
XX
р
K3
P
P
2
2
2
2
3
2
2
2
2
Для демонстрации работы ТЭГ в ночное время суток были использованы соли MgCl⋅6HO, NaSO⋅5HO и СаСl⋅6НO, испытывающие ЭФП при температурах соответственно T=116°C, T=58°C и T=29.7°C. Для исследований была использована установка, приведенная на фиг. 1. Верхняя поверхность СК была сделана из поликарбоната, на который были прикреплены через теплопроводящую пасту два солнечных модуля модели МСК-15 (размер 285×425×28 мм, U=12 В, U=22 В, U=18 В, I=0.92 А, I=0.83 A, W=15 Вт, вес 1.9 кг, фотоэлементы - монокристалл). Освещение солнечных панелей осуществлялось 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, и лампой накаливания (100 Вт), обеспечивающей видимый и ИК-диапазон λ=800-3000 нм излучения Солнца с общей мощностью облучения 900 Вт/м. Нижняя поверхность СК была медной, с внутренней стороны химически обработанной до окрашивания меди ее окислом CuO в черный цвет - свето-, теплопоглощающее покрытие. Поверхности ТЭ термопастой подсоединялись к медным поверхностям СК и емкостей с ТАМ - солями MgCl⋅6HO, NaSO⋅5HO и СаСl⋅6НO, что обеспечивало на термоэлементах типа ТЕС-127 ток до 2 А (при градиенте ΔT=70°C).
ТЭ
ТЭ
Измерение термоэлектрического напряжения U (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 напряжения U (мВ), предварительно полученной для каждого из ТАМ. Температура радиатора, обдуваемого вентилятором (моделирование потока ветра), поддерживалась при комнатной температуре Т≈20°C. В качестве аккумулятора использовался Li-ионный Siemens Ме45 на +6.5 В. В качестве преобразователя напряжения использовалась отечественная микросхема КР 1446ПН1 (на ток 100 мА).
MAX
МАХ
МАХ
MAX
МАХ
MAX
Температура рабочего вещества (этиленгликоль) после 70 минут нагрева достигла 127°C и при остывании при 20°C окружающей среды и использовании термоэлементов типа ТБ 127-1,4-2,5, имеющих выходные характеристики U (В)=16.3 В, ток I=3.7 А при перепаде температур ΔT≈70°C, ТЭГ обеспечил максимальную мощность Р=37.4 ВА. Термоэлемент типа K1-241-1,4/1,1-GL-S с U (В)=18 В, током L=5,5 А при перепаде температур ΔT≈70°C, обеспечивает максимальную мощность Р=99 ВА.
ТЭ
При работе ТЭГ в зимнее время ТЭ типа ТЕС-127-1,4-2,5 с температурой радиатора +4°C и окружающей среды - 12°C обеспечил напряжение U=3.6 В. Ток зарядки аккумулятора контролировался микроконтроллером ATMEGA8515L и передавался на инвертор DC/АС НТ-Е-100-12.
Таким образом, использование заявляемого способа работы ТЭГ позволит повысить эффективность, надежность и температурного, и временного диапазона термоэлектрогенерации в условиях круглогодичной (в том числе зимней) и круглосуточной эксплуатации, т.е. может обеспечить круглогодичное и круглосуточное с более высоким КПД автономное питание аппаратуры. При этом ТЭГ обладает компактностью, бесшумностью и надежностью (отсутствие движущихся деталей).