ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

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 зарядки аккумуляторов, датчиков JPS-навигации, метеокомплексов в климатических зонах с резким перепадом температур в течение всего времени суток - в горных, пустынных местностях, на морских побережьях и др.
Проблема выработки электроэнергии в системах электропитания автономных приборов и средств автоматики на трубопроводах в непрерывном режиме, независимых устройств подзарядки аккумуляторов компьютеров, датчиков JPS-навигации, экологических устройств электропитания коммунально-бытовых объектов и других стоит достаточно остро.
В полевых условиях экстремального климата плодотворна идея использования компактных устройств электропитания, основанных на преобразовании в электроэнергию естественных перепадов температур в течение времени суток с применением термопар или термоэлементов, основанных на эффекте Зеебека. Перепады температур могут создаваться также путем нагрева одного из спаев термоэлементов от внешнего источника тепла - костра, выхлопных газов и т.д.
С другой стороны, те же термопары и термоэлементы могут быть использованы в качестве охлаждающих устройств при подведении к ним электрического тока от внешних источников, т.е. использоваться в качестве кондиционеров и холодильников.
Известно устройство (аналог) «Power generation using thermal gradients maintained by phase transitions» («Выработка энергии использованием температурных градиентов от фазовых переходов») по патенту US №7810330 B1, Oct. 12.2010, авторы S.C. Weaver, D. Weaver, S.P. Weaver.
В известном устройстве электроэнергия генерируется из окружающей среды тепловыми машинами типа машины Стирлинга, 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 автономный источник питания, содержащий последовательно соединенные блок термоэлементов, блок управления и аккумуляторную батарею, согласно настоящей полезной модели, снабжен емкостью, заполненной рабочим веществом, и радиатором, заполненным пористым капиллярным веществом, а блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхности, на которых закреплены, соответственно, указанные емкость и радиатор, при этом рабочее вещество емкости имеет возможность испытывать фазовые переходы из одного агрегатного состояния в другое под воздействием изменений температуры окружающей среды в течение всего времени суток, генерировать тепло, поглощать и накапливать тепло окружающего пространства и солнечную радиацию.
При этом в качестве рабочего вещества емкости используют кристаллогидратную соль или смесь кристаллогидратных солей, имеющих разные температуры фазовых переходов.
При этом блок управления выполнен с возможностью переключения направления, стабилизации и регулировки тока блока термоэлементов для зарядки аккумуляторной батареи, а также переключения работы блока термоэлементов на режим нагрева емкости, заполненной рабочим веществом.
При этом термоэлектрический автономный источник питания снабжен инвертором для питания потребителей электроэнергии переменного тока.
При этом потребителем электроэнергии является холодильник накопительного типа.
2
2
Тэ
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого термоэлектрического автономного источника питания, а на фиг. 2 - зависимости от времени t (мин) остывания кристаллогидратной соли CaCl·6HO температуры Τ (°С) (кривая 1) и термоэлектрического напряжения U (мВ) (кривая 2) на выводах блока термоэлементов.
Цифрами на фиг. 1 обозначены:
1 - блок термоэлементов,
2 - электрические выводы блока термоэлементов,
3 - аккумуляторная батарея,
4 - верхняя поверхность блока термоэлементов,
5 - нижняя поверхность блока термоэлементов,
6 - радиатор,
7 - пористое капиллярное вещество радиатора,
8 - емкость,
9 - рабочее вещество емкости,
10 - блок управления,
11 - инвертор.
Термоэлектрический автономный источник питания содержит последовательно соединенные блок 1 термоэлементов (термоэлектрическую батарею), блок 10 управления и аккумуляторную батарею 3, через которую полученная электроэнергия направляется к потребителям. Блок 1 термоэлементов (термоэлектрическая батарея) посредством электрических выводов 2 соединена с блоком 10 управления.
Предлагаемый термоэлектрический автономный источник питания отличается тем, что он снабжен емкостью 8, заполненной рабочим веществом 9, и радиатором 6, заполненным пористым капиллярным веществом 7, а блок 1 термоэлементов имеет верхнюю 4 и нижнюю 5 поверхности, на которых закреплены, соответственно, указанные емкость 9 и радиатор 6.
Рабочее вещество 9 емкости 8 имеет возможность испытывать фазовые переходы из одного агрегатного состояния в другое под воздействием изменений температуры окружающей среды в течение всего времени суток, генерировать тепло, поглощать и накапливать тепло окружающего пространства и солнечную радиацию.
При этом в качестве рабочего вещества 9 емкости 8 используют кристаллогидратную соль или смесь кристаллогидратных солей, имеющих разные температуры фазовых переходов.
пл
тв
В качестве рабочего вещества 9 емкости 8 могут быть применены смеси кристаллогидратных солей, имеющих температуру фазовых переходов в области 0÷100°С, характеристики для которых (температура плавления Tфп°C, теплота плавления Q (кДж/кг) и плотности ρ (кг/м)) приведены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики для кристаллогидратных солей
Материал
Т<sub>ФП</sub>°С
Q<sub>пл </sub>(кДж/кг)
ρ<sub>тв</sub> (кг/м<sup>3</sup>)
CaCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O
29,7
170
1710
Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>·10H<sub>2</sub>O
32,4
251
1460
Na<sub>2</sub>S<sub>2</sub>O3·5H<sub>2</sub>O
48
210
1600
CH<sub>3</sub>COONa·3H<sub>2</sub>O
58,2
260
1450
MgCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O
116
165
1570
При этом блок 10 управления выполнен с возможностью переключения направления, стабилизации и регулировки тока блока 1 термоэлементов для зарядки аккумуляторной батареи 3, а также переключения работы блока 1 термоэлементов на режим нагрева емкости 8, заполненной рабочим веществом 9.
При этом термоэлектрический автономный источник питания снабжен инвертором 11 для питания потребителей электроэнергии переменного тока.
При этом потребителем электроэнергии является холодильник накопительного типа (на фиг. 1 условно не показан).
Таким образом, отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что блок 1 термоэлементов закреплен нижней поверхностью 5 на радиаторе 7 с пористым капиллярным веществом 6, являющимся системой охлаждения, а верхней поверхностью 4 - на емкости 8 (теплопроводящей/ теплоаккумулирующей емкости) с рабочим веществом 9, способной поглощать и накапливать тепло окружающего пространства и солнечную радиацию), а также генерировать тепло за счет рабочего вещества 9, испытывающего фазовые переходы из одного агрегатного состояния в другое под воздействием изменений температуры окружающей среды при смене времени суток (в пустынях перепады температур могут достигать 100°С). Термоэлементы в блоке 1 могут быть закреплены через теплопроводящую пасту или стянуты скобами.
Другой отличительной особенностью является то, что для продления во времени эндо- и экзотермического эффектов (эффектов поглощения и выделения тепла) используют кристаллогидратную соль или смесь кристаллогидратных солей, хотя в качестве рабочего вещества 9 могут быть использованы любые жидкости или смеси, например парафины, обладающие фазовым переходом в температурном диапазоне естественного суточного перепада температур.
Еще одной отличительной особенностью устройства является блок 1Θ управления (контроллер). Блок 10 управления выполнен с возможностью переключения направления, стабилизации и регулировки тока блока 1 термоэлементов для зарядки аккумуляторной батареи 3, а также переключения работы блока 1 термоэлементов на режим нагрева емкости 8, заполненной рабочим веществом 9. Блок 10 управления может быть выполнен, например, в виде контроллеров подзарядки аккумуляторов компьютеров Ноутбук.
В качестве блока 10 управления может быть использован микроконтроллер марки Atmega или TRS61100PW.
В качестве аккумуляторной батареи 3 может быть использован заряжаемый щелочной аккумулятор, не содержащий кадмия или лития, обладающий очень низким саморазрядом.
Предлагаемый термоэлектрический автономный источник питания работает следующим образом.
ТЭ
Электрический ток, вырабатывается блоком 1 термоэлементов за счет перепада температур ΔТ между его поверхностями 4 и 5.
В качестве блока 1 термоэлементов может быть использована термоэлектрическая батарея типа ТЭМО или ТЭБ, обеспечивающая выработку тока до 2 А при перепаде температур 60°С.
ТЭ
В утреннее время перепад температур возникает как отрицательная разность температур -ΔТ между холодной емкостью 8 с кристаллическим рабочим веществом 9 и теплым радиатором 6, находящимся в окружающей среде под теплым ветром и солнцем. Верхняя поверхность 4 - холодная, а нижняя поверхность 5 - теплая.
ТЭ
Далее, по мере плавления рабочего вещества 9 под действием температуры окружающей среды наступает эндотермический эффект плавления кристаллического вещества (с поглощением тепла) и происходит дополнительное охлаждение теплоаккумулирующей емкости 8, что поддерживает отрицательную разницу температур -ΔТ.
ТЭ
ТЭ
После плавления рабочего вещества 9 под действием теплоты пространства и солнечной радиации теплоаккумулирующая емкость 8 нагревается, верхняя поверхность 4 становится более теплой по сравнению с нижней поверхностью 5, а разница температур ΔТ становится положительной. Причем более низкая температура нижней поверхности 5 дополнительно поддерживается пористым капиллярным веществом 7 радиатора 6. В этот момент направление тока, генерируемого блоком 1 термоэлементов, меняется на противоположное, и для зарядки аккумуляторной батареи 3 тем же направлением тока блок 10 управления, также должен переключить направление тока на спаях электрических выводов 2. В дневное время рабочее вещество 9 нагревается и полностью переходит в жидкое состояние, а разница температур ΔТ сохраняется нарастающею положительной.
ТЭ
В ночное время перепад температур между емкостью 8 и радиатором 6 возникает в результате остывания рабочего вещества 9, то есть верхняя поверхность 4 блока 1 термоэлементов - горячая, а нижняя поверхность 5 - холодная, разница температур ΔТ положительна.
ФП
2
2
ФП
2
2
3
2
В ходе остывания рабочего вещества 9 при снижении температуры до температуры фазового перехода одного из компонентов с максимальной температурой фазового перехода Т (например, CaCl·6HO) возникает экзотермический эффект с выделением тепла, что поддерживает положительную разность температур АГТЭ. Далее наступает очередь генерации тепла за счет фазового перехода компонента с более низкой температурой Т (например, NaSO·5HO).
3
2
2
2
Далее экзотермический эффект возникает от компонентов CHCOONa·3HO и MgCl·6HO рабочего вещества 9. Поэтому, для того, чтобы экзотермический эффект продолжался как можно дольше во времени и температуре, следует использовать смеси кристаллогидратных солей с разными температурами фазовых переходов.
Для продления процесса остывания рабочего вещества 9 блок 10 управления (контроллер) может быть использован для переключения работы блока 1 термоэлементов на режим нагрева емкости 8.
В блоке 10 управления ток стабилизируется и передается в аккумуляторную батарею 3, и, при необходимости, далее передается в инвертор 11 (преобразователь постоянного напряжения) для питания, например холодильника накопительного типа (термоэлектрического холодильника).
В качестве потребителей переменного тока необходимой частоты могут быть зарядное устройство мобильного телефона, радиоприемника, JPS-навигатора, датчиков на нефтегазопроводах.
Анализ параметров и соответственно подбор компонентов рабочей жидкости 9 для той или иной климатической зоны осуществляется анализатором протонного магнитного резонанса по патенту RU на изобретение №2319138 и патенту RU на полезную модель №67719.
2
2
ФП
Для демонстрации работы термоэлектрического автономного источника питания в ночное время была использована кристаллогидратная соль CaCl·6HO, испытывающая фазовый переход первого рода при температуре Т=29,7°C с теплотой плавления Q=170 кДж/кг.
2
2
ТЭ
Температура на «холодной» нижней поверхности 5 блока 1 термоэлементов поддерживалась радиатором 6, обдуваемом вентилятором (моделирование потока ветра) при комнатной температуре Т≈20°С. «Горячая» верхняя поверхность 4 блока 1 термоэлементов термопастой подсоединена к емкости 8 с расплавом кристаллогидратной соли CaCl·6НО, что обеспечивало разность температур между «горячей» и «холодной» поверхностями блока 1 термоэлементов. Измерение термоэлектрического напряжения U (мВ) осуществлялось цифровым милливольтметром класса точности 0,2, температура контролировалась цифровым термометром класса точности 0,2.
ТЭ
На фиг. 2 представлены зависимости от времени t (мин) термоэлектрического напряжения U (мВ) на выводах блока 1 термоэлементов и изменения температуры Τ (°С) остывания кристаллогидратной соли CaCl2-6H20 после ее нагрева до 60°С.
ТЭ
ТЭ
ТЭ
ТЭ
ТЭ
Как это видно из графиков, при фазовом переходе начала кристаллизации наблюдается экзотермический эффект - скачок температуры ΔТ в образце с 12°C до 32°С на величину ΔТ≈20°С на 29-й минуте процесса охлаждения, свидетельствующий об экзотермическом процессе выделения тепла при кристаллизации соли. Данный скачок ΔТ привел к соответствующему скачку термоэлектрического напряжения А ΔU (мВ) на выводах блока 1 термоэлементов с 48 мВ до 140 мВ на величину ΔU≈92 мВ.
Аналогичные зависимости были получены и для других кристаллогидратных солей, а в смеси экзотермический эффект продолжался 220 минут (это без учета естественного остывания вне экзотермического процесса).
MAX
MAX
МАХ
Если использовать термоэлементы типа ТБ 127-1,4-2,5, имеющие выходные характеристики U(В)=16,3 В, ток I=3,7 А при перепаде температур ΔT≈70°С, то это обеспечит максимальную мощность Р=37,4 ВА.
MAX
MAX
МАХ
Термоэлемент типа K1-241-1,4/1,1-GL-S с U(В)=18 В, током I=5,5 А при перепаде температур ΔT≈70°С, обеспечит максимальную мощность Р=99 ВА.
Использование предлагаемой полезной модели позволит обеспечить круглосуточную работу термоэлектрического автономного источника питания, т.е. увеличить время его функционирования на 50%, а также повысить КПД в 1,5-2 раза (до 10-14% по сравнению с известными устройствами, у которых КПД равен 7%). При этом предлагаемый термоэлектрический автономный источник питания обладает надежностью (т.к. отсутствуют движущиеся детали), а также компактностью, бесшумностью, долговечностью, что делает его полезным в полевых условиях экспедиций при эксплуатации в экстремальных климатических условиях.