Способ работы термоэлектрического генератора и устройство для его осуществления
METHOD OF OPERATION OF THERMOELECTRIC GENERATOR AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к области автономных источников энергии и могут быть использованы для обеспечения возможности работы термоэлектрического генератора (ТЭГ) на подзарядку аккумуляторной батареи (АБ), например, автомобиля или другого транспортного средства при различных уровнях напряжений.
Известен способ работы ТЭГ на подзарядку аккумуляторной батареи АБ путем преобразования тепловой энергии ТЭГ-ом в электрическую и подачи электрической энергии на АБ (Инструкция по эксплуатации термоэлектрического генератора ГТУ 12/15 Правдинского опытного завода пос. Правда Московской обл., ул. Фабричная, дом 8) - [1].
Известен термоэлектрический котелок - генератор ГТУ-12-12
(http://telgen.ru/iWimcategorized/gene - [2], который может быть использован в условиях, удаленных от постоянного электроснабжения. Например, генератор может быть использован для: 1. Подзарядки аккумуляторов мобильного телефона, радиостанции, видеокамеры, эхолота, навигатора, ноутбука, автомобиля. 2. Обеспечения электроэнергией маломощных потребителей радиоприемника, магнитофона, миникомпьютера, телевизора. 3. Локального освещения. Источниками тепла могут служить газовая или бензиновая горелка, керогаз, примус, печь с конфорками, угли костра и любые другие источники с открытым пламенем.
Его технические характеристики следующие: электрическая мощность при напряжении на нагрузке 12 В - 12 Вт; время приведения в действие - не более 0,3 часа; масса - 5 кг; габаритные размеры, 230×250×240 мм.
Также известен «Термоэлектрический генератор» по патенту на изобретение РФ RU 2018196 С1 от 15.08.1994, МПК H01L35/22 - [3], который содержит термобатареи, расположенные под утолщенным днищем сосуда для жидкости. Днище служит охлаждающим теплообменником. "Горячий теплообменник" расположен под термобатареями и является массивной плитой. Она снабжена кольцевым экраном для
защиты термобатарей. Токоотводы введены в сосуд с жидкостью и выведены из него в защитном герметичном трубопроводе.
Недостатком устройств [1], [2], [3] и способов их работы является проблематичность применения (данных конструктивных решений) на транспортных средствах для подзарядки АБ.
Известен способ работы термоэлектрического генератора ТЭГ на подзарядку аккумуляторной батареи АБ путем преобразования тепловой энергии выхлопных газов автомобиля ТЭГ-ом в электрическую и подачи электрической энергии на АБ автомобиля (Энергетика и транспорт. 1984, № 6 с. 3...8) - [4].
Также известны конструктивные решения ТЭГ (и способы их работы) для частичного отбора теплоты от картера или от отходящих газов двигателя внутреннего сгорания (например, транспортного средства) по следующим заявкам и патентам:
- заявка на изобретение РФ: RU 2001105861, А от 27.02.2003, МПК F02G5/00, «Термоэлектрический генератор поддона автомобильного двигателя» - [5];
- заявка на изобретение РФ: RU 2001105862, А от 27.02.2003, МПК F02G5/02, «Термоэлектрический генератор на выхлопных патрубках двигателя» - [6];
- патент на изобретение РФ: RU 2563305, С1 от 20.09.2015, МПК H01L35/28, «Термоэлектрический генератор автомобиля» - [7];
- патент на изобретение РФ: RU 2606300, С1 от 10.01.2017, МПК F01N5/02, H01L35/30, H01L35/34, «Термоэлектрический генератор в выпускной системе отработавших газов двигателя внутреннего сгорания» - [8];
- патент на полезную модель РФ: RU 171447, U1 от 02.06.2017, МПК H01L35/30, «Конструктивная схема автомобильного термоэлектрического генератора с теплообменником изменяемой геометрии» - [9];
- патент на полезную модель РФ: RU 162072, U1 от 20.05.2016, МПК F01N5/02, H01L35/28, «Термоэлектрический генератор» - [10];
- патент на изобретение РФ: RU 2191447, С2 от 20.10.2002, МПК H01L35/02, «Термоэлектрический генератор» - [11];
- патент на изобретение РФ: RU 2555186, С2 от 10.07.2015, МПК H01L35/32, «Термоэлектрический модуль для термоэлектрического генератора автомобиля» - [12];
- патент на изобретение РФ: RU 2564160, С2 от 27.09.2015, МПК F01N5/02, F02B63/04, H01L35/32, «Термоэлектрический модуль для термоэлектрического генератора автомобиля с уплотнительным элементом» - [13];
- патент на изобретение РФ: RU 2566209, С2 от 20.10.2015, МПК F01N3/04, F01N5/02, «Устройство с теплообменником для термоэлектрического генератора автомобиля» - [14];
- патент на изобретение РФ: RU 2528039, С2 от 10.09.2014, МПК H01L35/04, H01L35/28, H01L35/34, «Модуль для термоэлектрического генератора и термоэлектрический генератор» - [15];
- патент на изобретение РФ: RU 2568078, С2 от 10.11.2015, МПК H01L35/32, «Термоэлектрический модуль для термоэлектрического генератора автомобиля» - [16];
- патент на изобретение РФ: RU 2569128, С2 от 20.11.2015, МПК F01N3/04, F01N5/02, «Устройство с теплообменником для термоэлектрического генератора автомобиля» - [17];
- патент на полезную модель РФ: RU 188354, U1 от 09.04.2019, МПК H01L35/28, «Термоэлектрический генератор» - [18].
Недостатком устройств и способов их работы по патентным источникам [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 и 18] является невозможность их работы в случае, если напряжение ТЭГ-а меньше, чем напряжение АБ, то есть необходимы дополнительные узлы для преобразования электроэнергии получаемой с ТЭГ для ее дальнейшего полезного использования, в том числе и для зарядки АБ.
Известно использование ТЭГ для энергетической установки речного судна, при котором напряжение с ТЭГ подается потребителю при помощи дополнительного блока управления, находящегося в главном распределительном щите и содержащего переключатель, вход которого через блок сравнения связан с аккумуляторными батареями (по патентной литературе):
- патент на полезную модель РФ: RU 92247, U1 от 10.08.2010, МПК H01L35/28, «Судовой термоэлектрический генератор» - [19];
- патент на полезную модель РФ: RU 96550, U1 от 10.08.2010, МПК В63Н23/24, 24J2/00, «Электроэнергетическая установка речного судна» - [20].
Недостатком аналогов [19 и 20] также является низкая эффективность работы ТЭГ, которая зависит от их выходного электрического напряжения, в зависимости от которого производят переключение потребителей.
Известны системы и устройства, в которых применяются ТЭГ-и в совокупности с блоками управления, содержащими полупроводниковые преобразователи и стабилизаторы напряжения и тока, например, по патентам:
- патент на изобретение РФ: RU 2359363, С1 от 20.06.2009, МПК H01L35/28, «Термоэлектрический генератор» - [21];
- патент на изобретение РФ: RU 2549909, С2 от 10.05.2015, МПК H01L35/28, «Система термоэлектрического генератора» - [22];
- патент на изобретение РФ: RU 2561502, С1 от 27.08.2015, МПК Н01М14/00, НО 1 Ml 6/00, «Термоэлектрический генератор, работающий от тепловой энергии сжигаемого газа» - [23];
- патент на полезную модель РФ: RU 145152, U1 от 10.09.2014, МПК Н01М14/00, «Термоэлектрический генератор, работающий от тепловой энергии сжигаемого газа» - [24];
- патент на изобретение РФ: RU 2371816, С1 от 20.06.2005, МПК Н01М14/00, Н01М16/00, «Термоэлектрический блок питания» - [25];
- патент на полезную модель РФ: RU 151736, U1 от 10.04.2015, МПК H02J7/00, H02J15/00, «Система электропитания электронного прибора с использованием электроэнергии внешней среды» - [26].
Недостатками данных технических решений [21, 22, 23, 24, 25 и 26] является то, что примененные в них блоки управления, содержащие полупроводниковые преобразователи и стабилизаторы напряжения и/или тока, не содержат технологию (способ) подстройки входного сопротивления потребителя электрической энергии к значению выходного сопротивления ТЭГ, то есть так называемой технологии применяемой в МРРТ (maximum power point tracking) контроллерах. Без технологии, применяемой в МРРТ контроллерах, невозможно получить максимально возможную электрическую мощность из применяемого ТЭГ-а, и, следовательно, максимально повысить его эффективность. Кроме того, аналог [26] обладает сложностью конструкции, что при применении одного ТЭГ избыточно и не рационально.
Известна технология (способ) «maximum power point tracking» сокращенно МРРТ, что обозначает - получение максимальной возможной мощности на выходе из конкретного устройства (https://alter220.ru/solnce/mppt-kontroller.html - [27]). Данная технология (способ) применена в МРРТ контроллерах, и её сущность состоит в том, что в процессе работы производят подстройку входного сопротивления потребителя электрической энергии (например, АБ) к значению выходного сопротивления источника электрической энергии, в качестве которых по известным источникам применяют ветрогенераторы и солнечные батареи.
Однако не известно применение технологии применяемой в МРРТ контроллерах для отбора электрической мощности от ТЭГ.
Кроме того, известны устройства с блоками управления, содержащими полупроводниковые   преобразователи   и   стабилизаторы   напряжения   и   тока для
преобразования солнечного излучения при помощи ТЕГ-ов в электроэнергию, по патентной литературе:
- патент на полезную модель РФ: RU 134698, U1 от 20.11.2013, МПК H01J45/00, F24J2/42, «Термоэлектрический автономный источник питания» - [28];
- патент на полезную модель РФ: RU 135450, U1 от 10.12.2013, МПК H01J45/00, «Термоэлектрический генератор» - [29];
- патент на полезную модель РФ: RU 166483, U1 от 27.11.2016, МПК H02S10/30, H01L31/042, H01J45/00, «Термоэлектрический генератор» - [30];
- патент на изобретение РФ: RU 2626242, С1 от 25.07.2017, МПК H01J45/00, F24J2/42, «Способ работы термоэлектрического генератора» - [31].
Недостатком устройств для преобразования солнечной энергии в электроэнергию и способов из работы по аналогам [28, 29, 30 и 31] также является то, что в них, как и в аналогах [21, 22, 23, 24, 25 и 26], не применена технология, используемая в МРРТ контроллерах.
Прототипом заявленных «Способа работы термоэлектрического генератора и устройства для его осуществления» является одноименная заявка на изобретение РФ: RU 2004100657 А от 20.06.2005, МПК H02J7/32 - [32]. Способ работы термоэлектрического генератора (по прототипу [32]) состоит в преобразовании тепловой энергии в электрическую и подачи электрической энергии на аккумуляторную батарею, при этом перед подачей электрической энергии на аккумуляторную батарею добавляют операцию преобразования уровня напряжения электрической энергии в (импульсном) полупроводниковом преобразователе напряжения до необходимого. А устройство для его реализации состоит из термоэлектрического генератора, соединительных проводов, (импульсного) полупроводникового преобразователя уровня напряжения и аккумуляторной батареи. Способ и устройство по прототипу [32] обеспечивают возможность заряда АБ при любом напряжении, вырабатываемом ТЭГ-ом, то есть позволяют использовать ТЭГ для подзарядки АБ при различных уровнях напряжений, путем добавления операции изменения уровня напряжения с помощью (импульсного) полупроводникового преобразователя напряжения.
Недостатком прототипа [32] является то, что существующие и применяемые для ТЭГ полупроводниковые преобразователи уровня напряжения работают без оптимизации уровня потребления электроэнергии путем подстройки входного сопротивления потребителя электрической энергии к значению выходного сопротивления ТЭГ в различных режимах его работы.
Из недостатков аналогов и прототипа следует задача повышения эффективности использования ТЭГ (когда от него можно отвести максимум электрической мощности и при максимальном коэффициенте полезного действия (КПД)) на различных режимах его работы, а также при разных режимах зарядки АБ путем применения в полупроводниковом преобразователе возможности подстройки входного сопротивления потребителя электрической энергии (например, зарядного устройства или непосредственно АБ) к значению выходного сопротивления ТЭГ.
Сущность заявленного способа: Способ работы термоэлектрического генератора путём преобразования тепловой энергии в электрическую и подачи электрической энергии на аккумуляторную батарею через импульсный полупроводниковый преобразователь напряжения и зарядное устройство, состоит в том, что импульсным полупроводниковым преобразователем напряжения управляют при помощи микроконтроллера таким образом, что в процессе работы подстраивают входное сопротивление потребителя электрической энергии к значению выходного сопротивления термоэлектрического генератора.
Сущность заявленного устройства: Устройство для реализации способа работы ТЭГ состоящее из термоэлектрического генератора, соединительных проводов, импульсного полупроводникового преобразователя, зарядного устройства, аккумуляторной батареи, дополнительно содержит МРРТ микроконтроллер с датчиками напряжения и тока, установленными на входе и выходе полупроводникового преобразователя, с помощью которых контролируется соответственно выходное сопротивление термоэлектрического генератора и входное сопротивление потребителя электрической энергии (зарядного устройства), при этом управляющими шинами МРРТ микроконтроллер подсоединен к импульсному полупроводниковому преобразователю и к зарядному устройству, и в процессе работы МРРТ микроконтроллер подстраивает входное сопротивление потребителя электрической энергии (зарядного устройства) к значению выходного сопротивления термоэлектрического генератора, а также подстраивает выходные напряжения и ток зарядного устройства для правильного заряда аккумуляторной батареи, независимо от входных напряжения и тока в зарядном устройстве.
Технический результат заявленных способа работы термоэлектрического генератора и устройства для его осуществления состоит в повышении эффективности работы термоэлектрического генератора путем преобразования в импульсном полупроводниковом преобразователе уровней напряжения и тока таким образом, чтобы подстроить входное сопротивление потребителя электрической энергии (зарядного устройства) к значению выходного сопротивления термоэлектрического преобразователя. При таком режиме работы обеспечивается максимально возможный КПД отбора электрической мощности от ТЭГ, которая в дальнейшем направляется на зарядку АБ.
На графических материалах представлено:
Фиг. 1 - Схема устройства реализации способа работы ТЕГ по прототипу. Фиг. 2 - Схема заявленного устройства реализации способа работы ТЭГ. Фиг. 3 - Схема заявленного устройства реализации способа работы ТЭГ с управляемым МРРТ контроллером зарядным устройством.
На фигурах 1, 2 и 3 схематично представлены:
1 - ТЭГ;
2 - импульсный полупроводниковый преобразователь; 3-АБ;
4 - зарядное устройство (ЗУ);
5 - МРРТ контроллер;
вых
6 - датчик выходного напряжения (U) ТЭГ;
вых
7 - датчик выходного тока (I) ТЭГ;
вх
8 - датчик выходного напряжения (U) ЗУ;
вх
9 - датчик выходного тока (I) ЗУ.
вых
вых
Заявленное устройство, как и устройство прототипа, содержит ТЭГ (1), соединенный через импульсный полупроводниковый преобразователь (2) с АБ (3) - фигура 1. В устройство прототипа по фигуре 1 также могут использовать ЗУ, когда (U) ТЭГ существенно выше напряжения АБ (3), а если (U) ТЭГ на единицы Вольт выше напряжения АБ (3) то применение ЗУ нецелесообразно. В качестве полупроводникового преобразователя (2) в прототипе целесообразно использовать преобразователь напряжения, для получения напряжения, необходимого для зарядки АБ.
вых
вх
3
3
вых
вых
вых
вх
вх
вх
вых
вх
вх
вых
вых
вых
вх
3
3
вх
вх
При этом в устройство для реализации заявленного способа (по фигуре 2) дополнительно введены для управления импульсным полупроводниковым преобразователем (2) МРРТ контроллер (5) и ЗУ (4). Функция (предназначение) МРРТ контроллера (5) состоит в согласовании выходного сопротивления (R) ТЭГ (1) со входным сопротивлением (R) ЗУ (4). При этом функция (предназначение) ЗУ (4) формировать необходимые (оптимальные) ток и напряжения (соответственно 1 и U ) для правильного заряда АБ (3). Для контроля выходного сопротивления (R) ТЭГ используют измерение выходного напряжения (U) датчиком напряжения (6) и выходного тока (I) датчиком тока (7). А для измерения входного сопротивления (R) ЗУ используют измерение входного напряжения (U) датчиком напряжения (8) и входного тока (I) датчиком тока (9). Данные от датчиков (6) и (7), а также (8) и (9) поступают на МРРТ контроллер (5), в котором вычисляют (R) ТЭГ (1) и (R) ЗУ (4), и далее из МРРТ контроллера (5) подают необходимое управляющее воздействие на полупроводниковый преобразователь напряжения (2) для сравнения (R) ЗУ (4) с (R) ТЭГ (1). При этом в полупроводниковом преобразователе (2) целесообразно изменять как напряжение (U), так и (I) для оптимального подбора (R) ЗУ (4). В качестве ЗУ (4) может быть применено устройство с управлением в автономном режиме (устройство по фигуре 2), так и устройство с внешним управлением (по фигуре 3) от используемого МРРТ контроллера (5). Схема для реализации заявленного способа по фигуре 3 также позволит оптимизировать необходимые ток и напряжения (соответственно I и U) для правильного заряда АБ (3) не зависимо от входных напряжения и тока на ЗУ (4), соответственно (U) и (I). При разработке и реализации заявленного способа устройства (2), (5), (6), (7), (8), (9) и (4) могут быть объединены в один структурный блок (10) - блок зарядки АБ от ТЭГ, который также может быть выполнен на одной плате и в одном корпус, как отдельное устройство.
Заявленный способ работы термоэлектрического генератора, и устройство для его осуществления в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формул изобретений (способа и устройства) являются новым для зарядки аккумуляторной батареи от термоэлектрического генератора и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
Совокупности признаков формул изобретений не известна на данном уровне развития техники и не следуют из общеизвестных способов работы термоэлектрического генератора по зарядке аккумуляторных батарей, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень" (об этом свидетельствует также проведенный патентный поиск и ссылка на источники информации [1] - [32]).
Реализация заявленных способа работы термоэлектрического генератора и устройства для его осуществления может быть осуществлена известными и применяемыми методами, технологиями, и на существующей элементной базе, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература
1. Инструкция по эксплуатации термоэлектрического генератора ГТУ 12/15 Правдинского опытного завода - пос. Правда Московской обл., ул. Фабричная, дом 8.
2. http://telgen.ru/ru/micategorized/gener 12-12/
3. Патент на изобретение РФ RU 2018196, С1 от 15.08.1994, МПК H01L35/22, «Термоэлектрический генератор».
4. Журнал: Энергетика и транспорт. 1984, № 6 с. 3...8.
5. Заявка на изобретение РФ: RU 2001105861, А от 27.02.2003, МПК F02G5/00, «Термоэлектрический генератор поддона автомобильного двигателя».
6. Заявка на изобретение РФ: RU 2001105862, А от 27.02.2003, МПК F02G5/02, «Термоэлектрический генератор на выхлопных патрубках двигателя».
7. Патент на изобретение РФ: RU 2563305, С1 от 20.09.2015, МПК H01L35/28, «Термоэлектрический генератор автомобиля».
8. Патент на изобретение РФ: RU 2606300, С1 от 10.01.2017, МПК F01N5/02, H01L35/30, H01L35/34, «Термоэлектрический генератор в выпускной системе отработавших газов двигателя внутреннего сгорания».
9. Патент на полезную модель РФ: RU 171447, U1 от 02.06.2017, МПК H01L35/30, «Конструктивная схема автомобильного термоэлектрического генератора с теплообменником изменяемой геометрии».
10. Патент на полезную модель РФ: RU 162072, U1 от 20.05.2016, МПК F01N5/02, H01L35/28, «Термоэлектрический генератор».
11. Патент на изобретение РФ: RU 2191447, С2 от 20.10.2002, МПК H01L35/02, «Термоэлектрический генератор».
12. Патент на изобретение РФ: RU 2555186, С2 от 10.07.2015, МПК H01L35/32, «Термоэлектрический модуль для термоэлектрического генератора автомобиля».
13. Патент на изобретение РФ: RU 2564160, С2 от 27.09.2015, МПК F01N5/02, F02B63/04, H01L35/32, «Термоэлектрический модуль для термоэлектрического генератора автомобиля с уплотнительным элементом».
14. Патент на изобретение РФ: RU 2566209, С2 от 20.10.2015, МПК F01N3/04, F01N5/02, «Устройство с теплообменником для термоэлектрического генератора автомобиля».
15. Патент на изобретение РФ: RU 2528039, С2 от 10.09.2014, МПК H01L35/04, H01L35/28, H01L35/34, «Модуль для термоэлектрического генератора и термоэлектрический генератор».
16. Патент на изобретение РФ: RU 2568078, С2 от 10.11.2015, МПК H01L35/32, «Термоэлектрический модуль для термоэлектрического генератора автомобиля».
17. Патент на изобретение РФ: RU 2569128, С2 от 20.11.2015, МПК F01N3/04, F01N5/02, «Устройство с теплообменником для термоэлектрического генератора автомобиля».
18. Патент на полезную модель РФ: RU 188354, U1 от 09.04.2019, МПК H01L35/28, «Термоэлектрический генератор».
19. Патент на полезную модель РФ: RU 92247, U1 от 10.08.2010, МПК H01L35/28, «Судовой термоэлектрический генератор».
20. Патент на полезную модель РФ: RU 96550, U1 от 10.08.2010, МПК В63Н23/24, 24J2/00, «Электроэнергетическая установка речного судна».
21. Патент на изобретение РФ RU 2359363, С1 от 20.06.2009, МПК H01L35/28, «Термоэлектрический генератор».
22. Патент на изобретение РФ RU 2549909, С2 от 10.05.2015, МПК H01L35/28, «Система термоэлектрического генератора».
23. Патент на изобретение РФ RU 2561502, С1 от 27.08.2015, МПК Н01М14/00, Н01М16/00, «Термоэлектрический генератор, работающий от тепловой энергии сжигаемого газа».
24. Патент на полезную модель РФ RU 145152, U1 от 10.09.2014, МПК Н01М14/00, «Термоэлектрический генератор, работающий от тепловой энергии сжигаемого газа».
25. Патент на изобретение РФ RU 2371816, С1 от 20.06.2005, МПК Н01М14/00, Н01М16/00, «Термоэлектрический блок питания».
26. Патент на полезную модель РФ RU 151736, U1 от 10.04.2015, МПК H02J7/00, H02J15/00, «Система электропитания электронного прибора с использованием электроэнергии внешней среды».
27. https://alter220.ru/solnce/mppt-kontroller.html
28. Патент на полезную модель РФ: RU 134698, U1 от 20.11.2013, МПК H01J45/00, F24J2/42, «Термоэлектрический автономный источник питания».
29. Патент на полезную модель РФ: RU 135450, U1 от 10.12.2013, МПК H01J45/00, «Термоэлектрический генератор».
30. Патент на полезную модель РФ: RU 166483, U1 от 27.11.2016, МПК H02S10/30, H01L31/042, H01J45/00, «Термоэлектрический генератор».
31. Патент на изобретение РФ: RU 2626242, С1 от 25.07.2017, МПК H01J45/00, F24J2/42, «Способ работы термоэлектрического генератора».
32. Заявка на изобретение РФ: RU 2004100657, А от 20.06.2005, МПК H02J7/32, «Способ работы термоэлектрического генератора и устройство для его осуществления» - прототип.