ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно, к устройствам электропитания автономных маломощных электронных устройств, которые могут быть использованы для задач телемеханизации, мониторинга окружающей среды и т.д.
Известно использование термоэлектрического генератора (патент на изобретение РФ № 2233351), вырабатывающего электрический ток за счет разности температур горячего и холодного газа, поступающего от газораспределительной станции. К недостаткам такого решения можно отнести необходимость размещения термоэлектрического генератора в непосредственной близости от газораспределительной станции, и, следовательно, невозможность использования данного решения на линейном участке газопровода.
2
Известен генератор тока (заявка на изобретение РФ № 94007104), содержащий термопары, образованные двумя электропроводными пластинами (например, медными), в которых выполнены два отверстия, причем одна из пластин с обеих сторон покрыта другим электропроводным материалом с высоким значением термо-ЭДС (например, молибденитом MoSH). Каждая пара пластин отделена друг от друга изоляционной пластиной, содержащей отверстие, соосное отверстиям в электропроводных пластинах. Отверстиями электропроводных и изоляционных пластин образованы два канала, которые соединены с теплообменниками, причем каналы и теплообменники заполнены антифризом (например, этиленгликолем). Один теплообменник установлен в земле на глубине 3-10 м, а другой на поверхности земли. Недостатком такого устройства является наличие дорогостоящей и сложной гидравлической системы с антифризом, с насосным оборудованием, резко снижающим общий КПД системы и надежность.
Наиболее близким решением к заявляемому устройству является блок питания в составе устройства телеметрии протекторной защиты подземного оборудования (патент на полезную модель РФ №117923). Согласно данному патенту блок питания выполнен в виде теплопроводной трубки, верхний конец которой размещен выше поверхности земли, а нижний конец - ниже поверхности земли, термоэлектрического преобразователя Пельтье и резервного источника постоянного тока, при этом термоэлектрический преобразователь Пельтье установлен так, что градиент температур между верхним и нижним концами теплопроводной трубки подан на физически разнородные элементы цепи термоэлектрического преобразователя Пельтье. При этом выходы блока питания подключены к питающим клеммам блока телеметрии и блока связи. К недостаткам данного решения можно отнести узкий диапазон рабочих температур теплопроводной трубки. При выходе за его пределы у теплопроводной трубки резко, в десятки раз, снижается теплопроводность. Поверхность контакта теплопроводной трубки с атмосферой и грунтом невелика, следовательно, тепловое сопротивление будет значительно, что снизит эффективность системы. Кроме того, непосредственно прилегающий к трубке грунт имеет небольшой объем, а, следовательно, и теплоемкость, и разность температур грунта и воздуха будет быстро снижаться вследствие теплообмена. Также необходимо учитывать, что знак градиента температур на элементе Пельтье может меняться в течение суток, и особенно, со сменой времен года. При этом направление тока на входе нагрузки также изменится, что неприемлемо для описанного устройства и для большинства известных устройств.
Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, определяется необходимостью в создании термоэлектрического генератора гарантирующего стабильную работу при различных температурных условиях в широком диапазоне температур.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении надежности работы генератора при различных температурных условиях в широком диапазоне температур.
Заявляемый технический результат достигается благодаря тому, что термоэлектрический генератор включает полую стойку и приборный отсек, в котором размещен элемент Пельтье и резервный источник постоянного тока, при этом  термоэлектрический генератор дополнительно содержит преобразователь напряжения, размещенный в приборном отсеке, оснащенный встроенным блоком слежения за полярностью выходного тока элемента Пельтье и контактами для передачи электроэнергии к полезной нагрузке, медный стержень, размещенный в стойке, и пластину-теплообменник, при этом медный стержень одним концом контактирует с элементом Пельтье, противоположная сторона которого контактирует с верхней стенкой приборного отсека, выполненной наклонной, а противоположный конец стержня жестко соединен с пластиной-теплообменником. Резервный источник постоянного тока представлен в виде аккумулятора. Верхняя наклонная стенка приборного отсека имеет черную матовую поверхность. Свободное пространство внутри стойки и приборного отсека заполнено теплоизоляционным наполнителем.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, на котором позициями обозначены:
1 – приборный отсек,
2 – элемент Пельтье,
3 – преобразователь напряжения,
4 – аккумулятор,
5 – теплоизоляционный наполнитель,
6 – медный стержень,
7 – стойка,
8 – опора стойки,
9 – пластина-теплообменник.
Термоэлектрический генератор включает в себя полую стойку 7, выполненную из стальной трубы, к верхнему концу которой неподвижно прикреплен приборный отсек 1, имеющий верхнюю наклонную стенку. Верхняя наклонная стенка приборного отсека 1 имеет матовую черную поверхность. В нижней части стойки 7 прикреплена опора 8, которая при установке стойки 7 в грунт должна быть ниже поверхности грунта. Опора 8 выполнена в виде квадратной стальной пластины, приваренной к стойке 7 перпендикулярно ее оси, и служит для неподвижной фиксации всей конструкции в грунте.
В приборном отсеке 1 установлен элемент Пельтье 2, механически соединенный одной поверхностью с верхней наклонной стенкой приборного отсека 1, а другой поверхностью с медным стержнем 6, являющимся проводником тепловой энергии. Стержень 6 размещен в стойке 7, верхний конец стержня расположен в приборном отсеке 1 и контактирует с одной из поверхностей элемента Пельтье 2. Нижний конец стержня 6 выходит из нижнего конца стойки 7. К нижнему концу стержня 6 приварена пластина – теплообменник 9, которая при установки генератора в рабочее положение должна быть расположена в грунте ниже уровня промерзания. Свободное пространство внутри стойки 7 и приборного отсека 1 заполнено теплоизоляционным наполнителем 5.
Также в приборном отсеке установлены электронный преобразователь напряжения 3, оснащенный встроенным блоком слежения за полярностью выходного тока элемента Пельтье 2, и аккумулятор 4.
На корпусе преобразователя напряжения 3 расположены контакты + и – для подключения полезной нагрузки.
Термоэлектрический генератор работает следующим образом. Между верхней наклонной стенкой приборного отсека 1 и пластиной – теплообменником 9, закопанной в грунт, образуется разность температур. Эта разность наблюдается большую часть времени суток, так как температура грунта меняется весьма медленно, а суточные колебания температуры воздуха значительны. Еще большая разность температур достигается при нагревании прямыми лучами или рассеянным солнечным излучением наклонной поверхности приборного отсека 1, имеющего матовую черную поверхность. Также, при смене времен года большую часть времени имеется значительная разница средних температур воздуха и средних температур грунта. Тепловую связь элемента Пельтье 2 с пластиной – теплообменником 9 осуществляет стержень 6, выполненный из меди, имеющей один из лучших показателей теплопроводности среди доступных материалов.
При наличии разницы температур поверхностей элемент Пельтье 2 начинает вырабатывать электрический ток. Вырабатываемая мощность тем больше, чем больше разница температур поверхностей элемента Пельтье 2.
Преобразователь напряжения 3 преобразует значение напряжения на выходе элемента Пельтье 2 в напряжение, достаточное для заряда аккумулятора 4 и питания подключенной полезной нагрузки. В то время, когда разность температур мала для выработки элементом Пельтье 2 достаточной мощности, полезная нагрузка питается от аккумулятора 4. Таким образом, достигается непрерывное обеспечение нагрузки электропитанием.
При смене знака градиента температур, также меняется направление тока, вырабатываемого элементом Пельтье. Для эффективного использования данного обратного тока в преобразователь напряжения встроен блок слежения за полярностью выходного тока элемента Пельтье. Данный блок, при смене полярности перекоммутирует входную цепь преобразователя напряжения с тем, чтобы направление тока в преобразователе напряжения  было постоянным, и заряд аккумулятора не прерывался.
Заявляемая полезная модель в заявляемой конструкции обладает рядом преимуществ по сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения вследствие использования следующих технических решений:
а) вместо теплопроводной трубки использован медный стержень, не имеющий ограничений температурного диапазона использования.
б) в преобразователь напряжения встроен блок слежения за полярностью выходного тока элемента Пельтье, который дает возможность питать нагрузку и заряжать аккумулятор при любом знаке градиента температур.
в) для улучшения теплового контакта с грунтом использована пластина-теплообменник большой площади, которая распределяет передаваемое медным стержнем тепло на область грунта большого объема.
Для улучшения теплообмена с атмосферным воздухом, а также для использования нагрева прямым или рассеянным солнечным излучением, генератор устанавливают так, чтобы перпендикуляр, исходящий из верхней наклонной поверхности приборного отсека, был по возможности точно направлен на точку расположения солнца в полдень для данной местности.