ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к устройствам прямого преобразования солнечной радиации в электрическую энергию сочетанием термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей для обеспечения экологически чистым энергопитанием автономных датчиков и средств автоматики.
В полевых условиях плодотворна идея использования компактных устройств электропитания, основанных на преобразовании солнечного света и естественных перепадов температур в течение времени суток в электроэнергию солнечными панелями и термоэлементами на солнечном коллекторе с использованием эффекта Зеебека. Облучение и перепады температур могут создаваться также внешним источником - горелки, костра, выхлопных газов двигателя и т.д. Устройство может найти применение в самых разных климатических зонах в любое время суток.
Уровень техники.
Для питания автоматических датчиков и средств автоматики в настоящее время широкое распространение получили электрогенераторы на фотоэлектрических элементах (ФЭ), обычно объединенных в солнечные панели. Солнце излучает энергию в диапазоне λ=200-3000 нм. При этом используемый ФЭ диапазон ультрафиолетовых длин волн λ=200-800 нм охватывает 58% всей энергетической эффективности солнечного излучения. В то же время 42% энергии Солнца лежит в диапазоне длин волн λ=800-3000 нм в области теплового (инфракрасного - ИК) излучения и недоступна для фотоэлементов, т.е. не используется. Кроме того, ФЭ снижают свой КПД при их нагреве, а также не способны к электрогенерации в ночное время суток. Это ведет к тому, что несмотря на то, что в некоторых образцах ФЭ достигнут КПД=20-25%, в реальных ФЭ 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.].
Как одно из решений задачи более эффективного использования солнечной радиации в ИК-области спектра является использование термоэлектрических элементов (ТЭ), основанных на эффекте Зеебека [Самойлович А.Г. Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии. М.: 2007. ЛКИ -224 с] - преобразовании в электроэнергию перепада температур аккумуляторов тепла от Солнца, а также бросового тепла в разных его формах - тепла отходящих газов теплоэлектростанций и котельных, нефти в трубопроводах, перепада температур воздуха и проточной воды в горах и артезианских скважин и др.
A
B
0
L
Принцип эффекта Зеебека заключается в генерации термоЭДС с коэффициентом α. Прибор, работающий на этом явлении - термопара или ТЭ из N проводников с разными коэффициентами термоЭДС α и α (см. Табл. 1). Если концы проводников находятся при разных температурах Т и T, то на концах ветвей появляется термоЭДС:
В таблице 1 приведены значения коэффициентов термоЭДС а некоторых полупроводников и металлов.
Эффективность ТЭ определяется безразмерным коэффициентом - термоэлектрической добротностью (или коэффициентом Йоффе):
2
где k - коэффициент теплопроводности, а Р=σα - термоэлектрический коэффициент мощности, σ - электропроводность. КПД такой системы:
2
1
2
1
2
где С=αk/2(ρ+ρ)=const, s - площадь сечения токопроводящей ветви, ρ и ρ - удельные сопротивления компонентов термопары. Благодаря уменьшению длины ветвей l до 0.1 нм удается практически освободиться от рассеяния направленной энергии электронов на ионных остовах решетки.
КПД удается повысить до ≈15-18% в составных термоэлектрических генераторах (ТЭГ). Такой ТЭГ позволяет получать значительные мощности уже при самых незначительных перепадах температур, всегда присутствующих в окружающей среде.
3
3
3
пл
пл
тв
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 фазовых переходов (ФП) в диапазоне 0÷100°С. Характеристики (температура плавления T°С, теплота плавления Q(кДж/кг) и плотность ρ(кг/м)), например, для кристаллогидратных солей приведены в таблице 2.
Известно устройство (аналог) по патенту RU №135540 МПК H01J 45/00 от 20.11.2013 «Термоэлектрический генератор», содержащее последовательно соединенные блок ТЭ, блок управления, аккумуляторную батарею, инвертор, а также солнечную панель, соединенную с блоком управления и аккумуляторной батареей, отличающийся тем, что он (ТЭГ) снабжен тепло (холод) проводящими пластинами, первой и второй емкостями, заполненными соответственно, первым и вторым рабочими веществами, 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.
Недостатками этого устройства являются:
низкая надежность работы в экстремальных условиях жаркого климата вследствие нагрева ФЭ солнечной панели и снижения ее КПД;
рабочее вещество (ТАМ) имеет определенные температуры экзотермического фазового перехода и, следовательно, тепловыделение при кристаллизации будет находиться в узком температурном и временном диапазоне.
Известно устройство (прототип) по патенту RU №134698 МПК H01J 45/00, F24J 2/42 от 20.11.2013 «Термоэлектрический автономный источник питания», включающий термоэлектрические элементы, систему охлаждения, теплообменник горячих спаев термоэлементов, блок управления, полученная электроэнергия через аккумулятор направляется к потребителям, отличающийся тем, что 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, стабилизации и регулировки тока термоэлементов для зарядки аккумулятора, а также переключения работы ТЭ на режим нагрева теплоаккумулирующей емкости; к радиатору на термоэлементе прикреплен воздухозаборник, повернутый к ветру; инвертор для питания потребителей переменного тока разной частоты; к емкости прикреплен солнечный коллектор.
Известное устройство позволяет получать электроэнергию в весенне-летне-осеннее время круглосуточно.
Недостатками этого устройства являются:
низкая эффективность устройства, поскольку поглощается только 42% солнечной радиации в тепловом диапазоне спектра и не используется 58% радиации видимой части спектра;
смесь кристаллогидратных солей или парафинов, используемая в качестве рабочего вещества ТАМ, вследствие химического взаимодействия между собой не в полной мере выполняет свою функцию последовательного выделения тепловой энергии по мере охлаждения ТАМ в ночное время суток.
Задачей полезной модели является разработка термоэлектрического генератора, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности, надежности устройства и диапазона его работы в температурном и временном диапазоне в условиях круглогодичной (в том числе зимней) эксплуатации в любое время суток.
Технический результат достигается тем, что в термоэлектрический генератор, включающий последовательно соединенные первый блок термоэлементов (ТЭ), блок управления, который выполняет функции переключения направления, стабилизации и регулировки тока ТЭ для зарядки аккумулятора, инвертор, первую емкость, наполненную первым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ), радиатор с пористым капиллярным веществом, способным поглощать и испарять влагу, к которому через первый блок ТЭ прикреплена первая емкость с первым ТАМ, 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, согласно полезной модели дополнительно введены солнечные батареи, солнечный коллектор (СК), наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью и имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность, вторая и третья дополнительные емкости, наполненные соответственно вторым и третьим ТАМ, а также второй, третий и четвертый блоки ТЭ, причем солнечные батареи прикреплены к верхней стороне СК, к нижней стороне СК прикреплен второй блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена вторая емкость, к нижней поверхности которой прикреплен третий блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена третья емкость, к нижней поверхности которой прикреплен четвертый блок ТЭ, нижней поверхностью контактирующий с первой емкостью.
При этом первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода. При этом термогенератор может содержать «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ с разными температурами ЭФП с прикрепленными к ним «n» блоками ТЭ.
К1
К2
К3
К2
К3
К1
ТЭ
ТЭ
ТЭ
Таким образом, технический результат достигается тем, что солнечные батареи, прикрепленные к внешней стороне СК с теплопроводящим рабочим веществом и с внутренней свето-, теплопоглощающей поверхностью, эффективно охлаждаются рабочим веществом СК, тем самым поддерживает высокий КПД фотоэлементов солнечной панели в жаркое время суток за счет отвода от них тепла. Солнечная батарея круглогодично (в том числе и зимой) генерирует ток в светлое время суток. Три емкости с ТАМ, имеющем 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 ΔТ на блоках ТЭ, расположенных между ними. Четыре последовательно соединенных блока ТЭ выполняют функции составной термоэлектрической батареи, повышая КПД термоэлектрического генератора. Причем количество блоков ТЭ может наращиваться. Фотоэлементы солнечной панели и термоэлементы при перепадах температур ΔТ вырабатывают электрический ток, который по электрическим проводам передается в блок управления (контроллер), в котором ток переключается в зависимости от полярности температурных градиентов ΔТ на ТЭ и направляется в аккумулятор и при необходимости далее передается в инвертор для питания потребителей переменного тока необходимой частоты.
Сущность модели поясняется чертежом на фиг. 1, где изображена конструкция термоэлектрического генератора.
Цифрами на фиг. 1 обозначены:
1 - солнечные батареи,
2 - солнечный коллектор,
3 - незамерзающая, теплопроводящая жидкость,
4 - внутренняя свето-, теплопоглощающая поверхность СК,
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 включает 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
Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что 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.
Устройство работает следующим образом.
ТЭ
ТЭ
ТЭ
ТЭ
К1
К2
К3
К2
К3
К1
ТЭ
ТЭ
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. 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. К нижней стороне СК прикреплен блок ТЭ 6, к которому снизу прикреплена вторая емкость 10, наполненная вторым ТАМ 13 и на перепаде температур ΔТ 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 дополнительная 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 ΔТ между 11 и 9 вырабатывается электрический ток, передаваемый в блок управления 18. К нижней стороне емкости 9 прикреплен блок ТЭ 5, к нижней стороне которого прикреплен самый холодный элемент - радиатор 15, и на перепаде температур ΔТ между поверхностями 9 и 15 вырабатывается электрический ток. Емкости 9, 10 и 11 наполнены ТАМ 12, 13 и 14, имеющим разные температуры ЭФП Т, Т и Т (причем Т>Т>Т), которые при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней, испытывают ЭФП, поддерживая разность температур ΔТ 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. Солнечная панель 1 и термоэлементы 5, 6, 7, 8 могут быть закреплены на солнечном коллекторе 2, емкостях 9, 10, 11 и радиаторе 15 через теплопроводящую пасту или притянуты скобами. 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 температурных градиентов ΔТ на ТЭ и направляется в аккумулятор 19 и при необходимости далее передается в инвертор 20 для питания потребителей переменного тока нужной частоты.
ТЭ1
2
2
К2
ТЭ
2
2
3
2
К3
ТЭ
2
2
K1
ТЭ
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 Т=116°С возникает ЭФП с выделением тепла, что создает дополнительную разность температур ΔТ 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 (напр. NaSO·5HO) с более низкой Т=58°С на разности температур ΔТ между 11 и 9 в ТЭ 8. Наконец возникает ЭФП в ТАМ 12 (например в CaCl·6HO) с самой низкой T=29.7°С на разности температур ΔT между 12 и радиатором 15 в ТЭ 5.
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°С, по электрическим проводам 17 передается в контроллер 18 (например марки Atmega или TRS61100PW) и направляется в аккумулятор 19 преимущественно щелочной, не содержащий кадмия или лития, обладающий очень низким саморазрядом и при необходимости далее передается в инвертор 20 для питания потребителей переменного тока требуемой частоты.
Техническим результатом полезной модели является повышение КПД в 1,5-2 раза до 15% по сравнению с известными устройствами, а также круглогодичная и круглосуточная работа термоэлектрогенератора, т.е. увеличение времени его функционирования в среднем на 50%.
Кроме того, заявляемое устройство ТЭГ может быть применено как тепловой насос зимой. Например, в зимнее время при отрицательных температурах окружающей среды радиатор, закопанный в земле на глубине 3-10 м, где температура держится на уровне +5-+7°С или погруженный в воду (вода подо льдом или артезианская имеет температуру ≈+4°С) способен создавать обратные градиенты температур на ТЭ, которые будут генерировать ток.
Пример.
2
2
2
2
3
2
2
2
Работа устройства термоэлектрогенератора на гидратных солях MgCl·6HO, NaSO·5HO и CaCl·6HO
2
2
2
2
3
2
2
2
K2
К3
K1
2
2
2
2
3
2
2
2
ТЭ
MAX
MAX
МАХ
MAX
MAX
МАХ
Для демонстрации работы ТЭГ в ночное время суток были использованы соли MgCl·6HO, NaSO·5HO и CaCl·6HO, испытывающая ЭФП при температурах соответственно T=116°С, T=58°С и T=29.7°С. Для исследований была использована установка, приведенная на фиг. 1. Внутренняя поверхность СК была покрыта медной фольгой, химически обработанной до окрашивания меди ее окислом CuO в черный цвет. Температура радиатора, обдуваемого вентилятором (моделирование потока ветра) поддерживалась при комнатной температуре Т≈20°С. Поверхности ТЭ термопастой подсоединялись к поверхностям плоских медных емкостей с ТАМ - солями MgCl·6HO, NaSO·5HO и CaCl·6HO, что обеспечивало на термоэлементах типа ТЕС-127 ток до 2 А. 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, предварительно полученной для каждого ТАМ. Устройство облучалось сразу 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 для солнечной панели 18V2W Solar Charger модель №KG1800, и лампой накаливания, обеспечивающей ИК-диапазон λ=800-3000 нм излучения Солнца. Температура рабочего вещества (этиленгликоль) после 70 минут нагрева достигла 120°С и при остывании при 20°С 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 ΔТ≈70°С, обеспечило максимальную мощность Р=37.4 ВА. Термоэлемент типа К1-241-1,4/1,1-GL-S с U (В)=18 В, током I=5,5 А при перепаде температур ΔТ≈70°С, обеспечивает максимальную мощность Р=99 ВА.
ТЭ
ТЭ
При работе ТЭГ в зимнее время на ТЭ типа ТЕС-127-1,4-2,5 с температурой радиатора +4°С и температурой окружающей среды - 7°С, перепад температур ΔТ≈10°С обеспечил напряжение U=3.6 В. Ток зарядки аккумулятора TP 2.3-12 контролировался микроконтроллером АТМЕ-GA8515L и передавался на инвертор DC/AC НТ-Е-100-12.
Таким образом, использование заявляемого устройства ТЭГ может обеспечить круглогодичное и круглосуточное с более высоким КПД автономное питание аппаратуры. При этом ТЭГ обладает компактностью, бесшумностью и надежностью (отсутствие движущихся деталей).