Автономное термоэлектрическое зарядное устройство

Предлагаемая полезная модель относится к области термоэлектрических источников электроэнергии, основанных на эффекте Зеебека, а именно, к автономным термоэлектрическим источникам электроэнергии.
Известно устройство автономного энергообеспечения (патент РФ № 176 615  U1, кл. F24B 7/00, F24B 9/00, H01L 35/00,  публ. 24.01.2018 Бюл. № 3), которое содержит источник тепла, нагреватель, термоэлектрический генератор и жидкостный охладитель, причем нагреватель выполнен в виде замкнутого контура, содержащего бак для воды и конденсатор пара, соединенные между собой верхним и нижним трубопроводами, причем в верхнем трубопроводе установлен на выходе из бака паровой клапан, конденсатор пара контактирует с нагреваемой поверхностью термоэлектрогенератора, а к выходной разности потенциалов термоэлектрогенератора электрически подключен контроллер заряда, буферный аккумулятор и USB-разъем.
Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
- Устройство содержит источник тепла, нагреватель, термоэлектрический генератор, охладитель, контроллер заряда и буферный аккумулятор.
Недостатком указанной конструкции является использование в качестве теплоносителя водяного пара, который обеспечивает низкую максимальную температуру (равную температуре конденсации при заданном давлении) на горячей стороне термоэлектрического генератора. Наличие в системе пара требует использование в конструкции прочных герметичных емкостей, способных противостоять давлению пара, что требует усиления и утяжеления конструкции, но полностью не обеспечивает безопасности функционирования. Работа нагревателя не контролируется и не согласована с работой устройства, что приводит к понижению КПД системы, а также невозможности управлять генерируемой электрической мощностью.
Известен автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока (патент РФ № 57 969 U1, кл. H01L 35/00, F24D 3/08,  публ. 27.10.2006 Бюл. № 30), содержащий гравитационную тепловую трубу с жидким теплоносителем, имеющую нижнюю испарительную часть, размещаемую в зоне нагрева теплоносителя, среднюю транспортную часть с зоной переноса теплоносителя и верхнюю конденсационную часть с зоной охлаждения теплоносителя, с размещенной на ее поверхности термоэлектрической батареей, имеющей электрические соединения для подключения потребителя. Около  наружной поверхности термоэлектрической батареи выполнен трубчатый канал для циркуляции охлаждающей жидкости.
Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
- Устройство содержит часть, которая подвергается нагреву, термоэлектрическую батарею, систему для охлаждения.
Недостатком указанной конструкции является ограничение максимальной температуры горячей стороны термоэлектрогенератора температурой конденсации рабочей жидкости тепловой трубы, наличие средней транспортной части тепловой трубы, что увеличивает массо-габаритные параметры. Кроме этого наличие в системе пара рабочей жидкости в тепловой трубе требует использования в конструкции прочных герметичных емкостей, способных противостоять давлению пара, что требует усиления и утяжеления конструкции, но полностью не обеспечивает безопасности функционирования. Работа нагревателя не контролируется и не согласована с работой устройства, что приводит к понижению КПД системы, а также невозможности управлять генерируемой электрической мощностью.
Известно автономное зарядное устройство (патент РФ № 113 875 U1, кл. H01L 35/00, публ. 27.02.2012 Бюл. № 6) являющееся наиболее близким прототипом, состоящее из термоэлектрического генератора, радиатора охлаждения, блока элементов питания, переключателя режимов работы и преобразователя напряжения.
Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
- Устройство содержит термоэлектрический генератор, радиатор охлаждения, блок элементов питания, преобразователь напряжения.
Недостатком указанной конструкции является использование внешнего нагревателя, работа которого не контролируется и не согласована с работой устройства, что приводит к понижению КПД системы, а также невозможности управлять генерируемой электрической мощностью.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в увеличении КПД системы и появлении возможности управлять генерируемой электрической мощностью.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в увеличении КПД системы и появлении возможности управлять генерируемой электрической мощностью.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая полезная модель имеет существенные отличительные признаки, отличающие её от прототипа, которые заключаются в следующем:
- Устройство имеет нагревательный элемент, представляющий собой газовую горелку, с системой управления подачей топливом и зажиганием.
- Устройство имеет температурные датчики на нагревательном элементе и на радиаторе охлаждения.
- Устройство имеет систему управления, которая координирует работу нагревательного элемента в зависимости от показаний температурных датчиков, значения генерируемой электрической мощности, внешних управляющих сигналов.
Указанные существенные признаки являются достаточными для достижения заявленного технического результата.
Автономное термоэлектрическое зарядное устройство (фиг. 1) состоит из батареи термоэлектрических генераторов (1), горячая сторона которой соединена с нагревательным элементом (2), а холодная сторона которой соединена с радиатором (3). Нагревательный элемент представляет собой  горелку (4) с системой электрического зажигания, которая соединена с емкостью для хранения газообразного топлива (5)  (например метан, пропан, бутан) посредством газовой линии (6) на которой установлен электрический регулировочный клапан (7). На нагревательном элементе (2) и на радиаторе (3) установлены датчики температуры (8 и 9 соответственно). Система управления реализована в виде электрической схемы собранной на плате управления (10) к которой присоединяются электрические выводы от батареи термоэлектрических генераторов, от аккумуляторной батареи (11), и на которой установлены: коммутирующее устройство (12), преобразователь напряжения (13), контроллер управления (14), панель индикации и управления (15), разъем (16) (например по формату USB) для присоединения заряжаемого устройства (17).
Автономное термоэлектрическое зарядное устройство для своей работы необходимо присоединить к емкости для хранения газообразного топлива (5) и к заряжаемому устройству (17), а также включить его путем нажатия соответствующих кнопок на панели индикации и управления. После этого контроллер управления подает электрический сигнал на регулировочный клапан (7), который открывается и позволяет газообразному топливу течь от емкости для хранения газообразного топлива (5) по газовой линии (6) в нагревательный элемент (2). При этом начинает работать система электрического зажигания (4), которая поджигает топливо-воздушную смесь в нагревательном элементе. Электрическая энергия для выполнения этих функций берется из аккумуляторной батареи (11). Правильность работы нагревательного элемента оценивается по начавшемуся после зажигания росту температуры, который детектируется датчиком температуры (8). Тепловой поток от нагревательного элемента распространяется к батарее термоэлектрогенераторов (1), к радиатору (3) и далее в окружающую среду. Батарея термоэлектрогенераторов (1) вырабатывает электричество, которое передается на плату управления (10), где оно стабилизируется, преобразовывается по напряжению. Генерируемая электроэнергия передается через разъем (16) в заряжаемое устройство (17), а также частично расходуется для восполнения заряда в  аккумуляторной батареи (11) и для функционирования системы управления и отражения информации на устройстве индикации.
Система управления в режиме реального времени при помощи датчиков температуры (8 и 9) контролирует температуру нагревателя и радиатора, расход топлива через регулировочный клапан (7), генерируемую и передаваемую потребителю электрическую мощность. В соответствии с заложенной в систему управления программой она может подать сигнал на регулировочный клапан (7) и уменьшить или увеличить расход газа, изменив тем самым тепловую мощность, выделяемую на нагревательном элементе и передаваемую соответственно потребителю. Генерируемая мощность выбирается на оптимальном уровне исходя из потребляемой мощности, а также условий внешней среды (которые определяют тепловой съем энергии с радиатора). Также система управления может самостоятельно перекрыть подачу топлива, в случае окончания процесса заряда, экономя, таким образом, топливо и повышая КПД всей системы в целом.