ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БЛОК ПИТАНИЯ
THERMOELECTRIC POWER SUPPLY

Изобретение относится к технологическому термогенераторному оборудованию и предназначено для питания постоянным электрическим током комплекса радиоэлектронной аппаратуры и средств автоматики и телемеханики газопроводов в непрерывном режиме функционирования.
Известен блок электропитания на основе термоэлектрического генератора (А.с. №439252, МКИ H01L 35/02, F28F 9/24), содержащий термоэлектрический модуль, горелочное устройство и систему термосброса в виде радиаторов и рубашки охлаждения, внутри которой установлен турбулизатор в виде проволочной спирали.
Недостатком данного устройства является невысокий ресурс работы и надежность.
Известен также термоэлектрический блок питания, работающий на природном газе (А.Н.Крошко. Автономные энергоустановки на газопроводах. М.: Недра, 1983 г., стр.41-52, 68-74). Данное устройство состоит из металлического контейнера с отсеками для установки термоэлектрических генераторов. Термоэлектрический генератор содержит термоэлектрические батареи, соединенные через теплоприемник с газовой горелкой, воздушные радиаторы, воздуховод и блок управления. В боковых стенках контейнера сделаны прямоугольные отверстия, защищенные сеткой, для притока воздуха, необходимого для работы термоэлектрических генераторов и вентиляции.
Данный блок электропитания обеспечивает мощность 150-1000 Вт в зависимости от числа установленных термоэлектрических генераторов. Однако при работе в широком диапазоне температур от -50° до +50°С надежность работы снижается за счет нестабильности температурного режима.
Наиболее близким техническим решением является термоэлектрический блок питания (Патент РФ №2329569, МКИ H01L 35/28, опубл. БИ №20, 2008 г.), содержащий расположенные в отсеках контейнера термоэлектрические генераторы, которые состоят из установленных в корпусе термоэлектрических батарей, соединенных с воздушными радиаторами и через теплоприемник с горелочным устройством, а также блок стабилизации напряжения, блок управления и систему термостатирования. Система термостатирования состоит из термочувствительных элементов, жестко закрепленных на контейнере и соединенных системой рычагов с заслонками подачи теплого воздуха от радиаторов и притока наружного воздуха. Заслонки расположены в верхней части контейнера.
Данный блок электропитания также обеспечивает мощность 150-1000 Вт в зависимости от числа установленных термоэлектрических генераторов. Однако в условиях низких температур надежность работы снижается. Также возможны перебои в работе блока питания при отказе термоэлектрических генераторов или при осуществлении ремонтных работ.
Задачей создания изобретения является повышение надежности, снижение отказов и обеспечение бесперебойной работы термоэлектрического блока питания за счет автоматического контроля и регулирования выходного напряжения и температуры в контейнере и обеспечения резервного электропитания.
Решение указанной задачи достигается за счет того, что термоэлектрический блок питания, содержит расположенные в контейнере термоэлектрические генераторы, которые состоят из установленных в корпусе термоэлектрических батарей, соединенных с воздушными радиаторами и через теплоприемник с горелочным устройством, а также блок стабилизации напряжения, блок управления и систему термостатирования, включающую термочувствительные элементы с заслонками. Новым в устройстве является то, что дополнительно введены дизель-генератор с системой автоматического запуска и аккумуляторные батареи, подключенные через зарядное устройство к термоэлектрическим генераторам, а блок управления выполнен на базе контроллера, соединенного с блоком стабилизации напряжения, зарядным устройством и дизель-генератором.
Кроме этого система термостатирования дополнительно содержит датчик температуры и устройства принудительного перемещения воздуха в контейнере, встроенные в боковые поверхности корпуса термоэлектрических генераторов и соединенные через контроллер блока управления с датчиком температуры, а также электрический обогреватель, соединенный с дизель-генератором, который подключен через контроллер блока» управления к датчику температуры.
Изобретение поясняется чертежами (фиг.1, 2, 3), где на фиг.1 представлен общий вид термоэлектрического блока питания (вид сбоку и вид сверху), на фиг.2 представлен общий вид термоэлектрического генератора, на фиг.3 представлена структурная схема термоэлектрического блока питания.
Термоэлектрический блок питания (фиг.1) состоит из металлического термостатированного контейнера 1, в двух отсеках которого - основном 2 и дополнительном 3 - расположено оборудование. Термостатированный контейнер предназначен для защиты всего оборудования от атмосферных явлений и оснащен системой запоров и замков. Стенки контейнера изготовлены из стальных листов, между которыми проложен теплоизолирующий материал. В контейнере расположены термоэлектрические генераторы (ТЭГ) 4, блок стабилизации напряжения 5, прибор дозирования газа 6, блок управления 7, дизель-генератор с системой автоматического запуска 8, комплект аккумуляторных батарей 9, зарядное устройство 10, топливный бак 11 и система термостатирования, включающая термочувствительные элементы с заслонками 12, датчик температуры 13, устройство принудительного перемещения воздуха 14 в контейнере и электрический обогреватель 15. В контейнере расположены также аварийные датчики - тепловой пожарный сигнализатор 16, сигнализатор горючих газов 17, система пожаротушения 18 и датчик несанкционированного открытия дверей 28. В контейнере установлен силовой шкаф 19 для соединения электрических проводов дизель-генератора. На крыше контейнера 1 над ТЭГ 4 расположен дефлектор 20 для отвода нагретого в ТЭГ воздуха. В контейнере установлено два ТЭГ. Каждый ТЭГ размещен в корпусе - специальном шкафу. Основными элементами ТЭГ являются (фиг.2) горелочное устройство 21, теплоприемник 22, к наружной поверхности которого прижаты шесть термоэлектрических батарей 23, и мощные воздушные радиаторы 24, обеспечивающие необходимый перепад температуры на термоэлектрических батареях. Корпус горелочного устройства 21 соединен с теплоприемником 22. Теплоприемник 22 имеет форму полой шестигранной призмы, внутри которой установлен цилиндрический излучатель 25, изготовленный из жаропрочной стали. Внутренняя полость излучателя 25 образует топочное пространство. К наружной поверхности призмы теплоприемника 22 прижаты термоэлектрические батареи 23, состоящие из ряда последовательно соединенных групп полупроводниковых термоэлементов, заключенных в герметичный кожух, заполненный инертным газом. Воздушные радиаторы 24, предназначенные для отвода тепла от спаев термоэлектрических батарей 23, прижаты к ним плоскими пружинами. К горелочному устройству 21 подсоединен воздуховод 26, по которому поступает наружный воздух для горения. Подача газа к ТЭГ 4 обеспечивает прибор дозирования газа 6 (фиг.1), состоящий из отсечного клапана и регулирующего дросселя. Элементы ТЭГ размещены на каркасе-раме 27, состоящей из верхнего и нижнего кольца, соединенных вертикальными стойками. Теплоприемник 22, термоэлектрические батареи 23 и радиаторы 24, соединенные пружинами, удерживаются в фиксированном положении относительно рамы 27. Шесть термоэлектрических батарей 23, входящих в состав ТЭГ-4, соединены последовательно в электрическую цепь и подключены к блоку стабилизации напряжения 5 и к внешней нагрузке 29 (фиг.3). Блок стабилизации напряжения 5 обеспечивает три значения выходной мощности ТЭГ 4 с помощью трехпозиционного тумблера, расположенного на его лицевой панели, и содержит устройство сигнализации, которое срабатывает при изменении номинального напряжения на выходе ТЭГ. Блок стабилизации напряжения 5 содержит клеммы для подключения электрической цепи от ТЭГ и клеммы для подключения командных импульсных цепей от блока управления 7. Блок управления 7 выполнен на базе контроллера «MosCad-M». Блок стабилизации напряжения 5 и блок управления 7 закреплены на стенке основного отсека 2 (фиг.1) контейнера. Параллельно электрическим цепям ТЭГ 4 (фиг.3) к блоку стабилизации напряжения 5 подключены зарядное устройство 10 и комплект аккумуляторных батарей 9. В качестве аккумуляторных батарей использованы гелевые батареи «Hoppecke» суммарной емкостью 600 А·ч. и напряжением 24 В. В комплект входят 12 батарей. Аккумуляторные батареи подключены в буферном режиме к нагрузке 29, обеспечивая работу термоэлектрического блока питания в случае отказа ТЭГ 4. Зарядное устройство 10 подключено к контроллеру блока управления 7 и дизель-генератору 8. Дизель-генератор 8 мощностью, например, 6 квт снабжен системой автоматического запуска на базе электростартера, подключенного к контроллеру блока управления 7. Дизель генератор 8 и топливный бак 11 с аварийным запасом топлива для дизель-генератора расположены в дополнительном отсеке 3 контейнера 1 (фиг.1).
к
н
В контейнере расположена также система термостатирования, которая поддерживает внутри контейнера определенную плюсовую температуру t при изменении температуры наружного воздуха t от -50°С до +50°С.
Система термостатирования содержит термочувствительные элементы с заслонками 12 (фиг.1), расположенные в основном отсеке 2 контейнера в зоне размещения оборудования. Термочувствительные элементы жестко закреплены на перегородке контейнера 1 и системой рычагов связаны с заслонками подачи воздуха из радиаторов и заслонками притока наружного воздуха. Заслонки подачи теплого воздуха из радиаторов установлены под потолком контейнера 1 над ТЭГ. Напротив в верхней части контейнера 1 расположены заслонки притока наружного воздуха. В качестве термочувствительного элемента используют, например, термодатчик РТ-1 с термореле. Температуру внутри контейнера 1 контролирует датчик температуры 13, закрепленный в основном отсеке 2. Система термостатирования содержит также устройство принудительного перемещения воздуха 14 в контейнере, встроенное в боковую поверхность корпуса ТЭГ 4 и электрический обогреватель 15, установленный в нижней части контейнера 1. Устройства принудительного перемещения воздуха 14 представляет собой осевые вентиляторы, которые подключены к ТЭГ 4 и установлены в отверстия, выполненные на боковой поверхности корпуса каждого ТЭГ на уровне расположения радиаторов 24. Осевые вентиляторы установлены таким образом, чтобы удалять нагретый воздух из корпуса ТЭГ. Вентиляторы 14 соединены с контроллером блока управления 7, который в свою очередь подключен к датчику температуры 13. Мощность электрического обогревателя 15 зависит от объема внутреннего помещения контейнера 1 и количества оборудования в нем. Электрический обогреватель мощностью, например, 2 кВт установлен в основном отсеке контейнера, имеющего размеры 5·100×3000×3000. Электрический обогреватель 15 подключен к дизель-генератору 8, который соединен через контроллер блока управления 7 с датчиком температуры 13.
Устройство работает следующим образом.
Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) 4 преобразуют тепловую энергию в электрическую в полупроводниковых термоэлементах, входящих в состав термоэлектрических батарей 23. Газ из трубопровода подают в прибор дозирования газа 6, который обеспечивает настройку каждого ТЭГ на определенный по мощности режим. Газ проходит через отсечной клапан и регулирующий дроссель прибора дозирования газа 6 и поступает к каждому рабочему ТЭГ 4. Затем газ, смешанный с воздухом из воздуховода 26, подают в горелочное устройство 21. Запуск ТЭГ осуществляют поджогом газовоздушной смеси. Горение газовоздушной смеси происходит внутри излучателя 25 до полного сгорания газа. Излучатель 25 разогревают до температуры t~1000°С, а продукты сгорания через отверстия в излучателе поступают в теплоприемник 22, который нагревается до температуры t=500-520°С и нагревает одну из сторон термоэлектрической батареи 23. С другой стороны термоэлектрической батареи 23 тепло сбрасывается воздушным радиатором 24, в щелях которого циркулирует воздух за счет естественной конвекции, обеспечивая на этой стороне батареи t=100°С. При прохождении теплового потока через полупроводниковые термоэлементы термоэлектрических батарей 23, обладающие тепловым сопротивлением, образуется необходимый перепад температур и разность потенциалов в последовательно соединенных термоэлементах термоэлектрических батарей 23. При подключении к этой цепи внешней нагрузки 29 возникает электрический ток.
Работой генераторов управляет блок стабилизации напряжения 5, подключенный к каждому ТЭГ. Блок стабилизации напряжения 5 стабилизирует выходное напряжение при работе одного ТЭГ и параллельной работе ТЭГ на общую нагрузку, управляет работой ТЭГ, осуществляя их запуск и выключение, и контролирует изменение режима работы генераторов. Когда один из рабочих ТЭГ выходит из строя или произойдет снижение напряжения генератора ниже установленного предела, поступает сигнал от его блока стабилизации напряжения 5 на отсечной клапан прибора дозирования газа 6 и ТЭГ отключается. Пульсации выходного напряжения блока стабилизации 5 не превышают 0,2 В. От блока стабилизации напряжения 5 сигналы выключения ТЭГ, достижения номинального напряжения, снижения мощности на 10% и отключения подают на контроллер блока управления 7. Поступившие сигналы от всех блоков стабилизации напряжения 5 обрабатываются контроллером блока управления 7 и далее поступают диспетчеру, который также контролирует и управляет работой ТЭГ. При отключении ТЭГ для обеспечения бесперебойной работы термоэлектрического блока питания параллельно термоэлектрическим генераторам 4 подключен комплект аккумуляторных батарей 9 емкостью 600 А·ч, соединенный в буферном режиме с нагрузкой 29. В случае отказа ТЭГ аккумуляторные батареи 9 автоматически включаются. Зарядное устройство 10, подключенное к аккумуляторным батареям 9, контролирует напряжение в сети аккумуляторных батарей и при снижении напряжения на 10% подает сигнал на контроллер блока управления 7, который производит запуск дизель-генератора 8 через электростартер для подзарядки аккумуляторных батарей 9 в течение, например, 180 мин. При достижении необходимого напряжения на аккумуляторных батареях 9 сигналом с контроллера 7, поступающим на электростартер, дизель-генератор отключается. При включении диспетчером неработающих ТЭГ и достижении номинального напряжения на их выходе поступает сигнал с блока стабилизации 5 на контроллер блока управления 7, который отключает зарядное устройство 10.
Блок управления 7 контролирует также возникновение аварийных ситуаций в контейнере 1. При срабатывании аварийных датчиков - теплового пожарного сигнализатора 16, сигнализатора горючих газов 17, датчика несанкционированного открытия дверей 28 или срабатывании системы пожаротушения 18 поступает сигнал от этих датчиков на контроллер блока управления 7, который передает информацию об аварийных ситуациях диспетчеру на отключение термоэлектрического блока питания.
к
н
н
к
к
Термоэлектрические генераторы 4 являются также источником тепла для подогрева воздуха в контейнере 1. Температура в контейнере t может меняться за счет работы ТЭГ 4 и изменения температуры наружного воздуха t. Нагретый в радиаторах 24 воздух частично отводится наружу через дефлектор 20, расположенный на крыше контейнера 1. Поддержание оптимальной температуры в контейнере обеспечивает система термостатирования. При изменении температуры наружного воздуха t термочувствительные элементы 12 изменяют положение заслонок подачи воздуха из радиаторов и заслонок притока наружного воздуха. Заслонки регулируют приток наружного воздуха, поступающего в контейнер 1 и удаляемого воздуха, подогретого в радиаторах 24. При повышении температуры в контейнере t заслонка подачи воздуха от радиатора закрывается, а заслонка притока наружного воздуха открывается. При понижении температуры в контейнере t положение заслонок изменяется. Существует два крайних положения заслонок.
к
Изменением положения заслонок регулируют количество поступающего в контейнер наружного воздуха и теплого воздуха из радиаторов ТЭГ 4. В нормальном режиме работы в контейнере обеспечивается t=20°С. Если температура наружного воздуха снижается и при оптимальном положения заслонок падает температура в контейнере 1 ниже установленного значения, то от датчиков температуры 13 поступает сигнал на контроллер блока управления 7, который запускает вентиляторы 14, встроенные в корпус ТЭГ. Вентиляторы 14 обеспечивают дополнительный приток теплого воздуха от радиаторов ТЭГ. При достижении необходимого температурного режима в контейнере 1 блок управления 7 подает сигнал на отключение вентиляторов 14. Если происходит выход из строя ТЭГ 4, то нормальный температурный режим в контейнере 1 обеспечивает электрический обогреватель 15. При отключении ТЭГ температура в контейнере падает и датчики температуры 13 подают сигнал на контроллер блока управления 7, который включает электрический обогреватель 15, питание которому обеспечивает дизель-генератор 8. Электрический обогреватель 15 включается на обогрев помещения контейнера 1 при отказе ТЭГ 4 или в период проведения пуско-наладочных работ. При достижении установленной температуры в контейнере 1 контроллер блока управления 7 отключает дизель-генератор 8 и электрический обогреватель.
Таким образом обеспечивается дополнительное терморегулирование температуры внутри контейнера и поддерживание необходимого температурного режима при низких температурах окружающего воздуха особенно в северных районах и обогрев помещения контейнера при отключении ТЭГ.
Данный термоэлектрический блок питания осуществляет автоматический контроль работы ТЭГ и обеспечивает постоянную бесперебойную подачу электроэнергии в нагрузку при снижении выходного напряжения ТЭГ или выходе их из строя, а также на период осуществлении пуско-наладочных работ за счет введения дополнительной системы резервного электропитания, включающейся автоматически.
За счет этого повышается надежность работы термоэлектрических генераторов, исключается возможность отказов в работе и обеспечивается непрерывная бесперебойная работа термоэлектрического блока питания, а также увеличивается срок его службы