ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ

Термоэлектрическая система производства энергии относится к области прямого преобразования тепловой энергии (газовых горелок, примусов, костров и т.д.) в электрическую и может быть использована для автономного электроснабжения небольших потребителей.
Известна термоэлектрическая система производства энергии, состоящая из множества (в частности - двух) термоэлектрических элементов, соединенных в общую электрическую цепь (см. патент на изобретение РФ №2353047, МПК H02N 11/00, опубл. 20.04.2009).
Недостатком такой термоэлектрической системы производства энергии является недостаточная эффективность ее работы через некоторое время после включения вследствие постепенного прогрева обеих сторон термоэлектрических элементов из-за наличия теплопроводности материалов. В то же время принудительное охлаждение одной из сторон термоэлектрических элементов за счет повышения поверхности соприкосновения с окружающей средой (например, оребрения), естественной или искусственной вентиляции, а также обеспечения теплообмена с охлаждающими жидкостями малоэффективно, ненадежно или энергоемко.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы термоэлектрической системы производства энергии за счет поочередного нагрева и охлаждения двух термоэлектрических элементов. При этом нагрев термоэлектрических элементов осуществляется принудительно, от источника теплоты, а охлаждение - естественным образом. Чередование нагрева и охлаждения термоэлектрических элементов достигается посредством изменения их положения в пространстве. Перемещение термоэлектрических элементов производится под действием механического усилия, развиваемого биметаллическими термочувствительными устройствами. При этом биметаллические термочувствительные устройства используют энергию источника теплоты.
Такой технический результат достигается тем, что термоэлектрическая система производства энергии, содержащая два термоэлектрических элемента, соединенных в общую электрическую цепь, установлена на неподвижной раме и дополнительно снабжена вертикальным валом с соосно размещенной на нем шестеренкой и жестко соединенными с ним двумя расходящимися под острым углом направляющими элементами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вертикального вала, двумя штоками, установленными в направляющих элементах с возможностью продольного перемещения, при этом сходящиеся концы штоков посредством нанесенных на их поверхности зубьев находятся в зацеплении с шестеренкой на противоположных сторонах от ее оси, а расходящиеся концы штоков через пружины соединены с биметаллическими термочувствительными устройствами, расположенными на нижних сторонах термоэлектрических элементов, расходящиеся концы направляющих элементов соединены металлической лентой, расположенной по дуге окружности с центом, находящимся на оси вертикального вала, на внешней стороне металлической ленты размещена продольная направляющая бороздка с двумя углублениями, находящимися в местах соединения металлической ленты с направляющими элементами, а в продольной направляющей бороздке размещен шарик, подпираемый опорной пружиной, установленной на неподвижной раме.
На фиг. 1 представлен общий вид термоэлектрической системы производства энергии, на фиг. 2 - вид на нее сверху и на фиг. 3 - вид металлической ленты с продольной направляющей бороздкой и углублениями.
Термоэлектрическая система производства энергии содержит два термоэлектрических элемента 1, соединенных в общую электрическую цепь 2. Термоэлектрические элементы 1 собраны из набора термопар и представляют собой плоские пластины. При этом соединение термоэлектрических элементов 1 может быть как последовательным, так и параллельным. Термоэлектрическая система производства энергии установлена на неподвижной раме 3, которая может быть выполнена, например, из металлических уголков или полос. Термоэлектрические элементы 1 размещены на направляющих элементах 4, представляющих собой, например, конструкции из двух параллельных стержней из твердого материала. Направляющие элементы 4 расположены под острым углом друг к другу и жестко соединены с вертикальным валом 5. Направляющие элементы 4 находятся в плоскости, перпендикулярной вертикальному валу 5.
На вертикальном валу 5, соосно с ним, размещена шестеренка 6. В направляющих элементах 4 установлены штоки 7 с возможностью продольного перемещения. На поверхности сходящихся концов штоков 7 нанесены зубья 8, находящиеся в зацеплении с шестеренкой 6 на противоположных сторонах от ее оси. Расходящиеся концы штоков 7 через пружины 9 соединены с биметаллическими термочувствительными устройствами 10. Пружины 9 также установлены в направляющих элементах 4, а биметаллические термочувствительные устройства 10 расположены на нижних сторонах термоэлектрических элементов 1.
Расходящиеся концы направляющих элементов 4 соединены металлической лентой 11, расположенной по дуге окружности с центром, находящимся на оси вертикального вала 5. На внешней стороне металлической ленты 11 размещена продольная направляющая бороздка 12. На продольной направляющей бороздке 12, в местах соединения металлической ленты 11 с направляющими элементами 4, имеются углубления 13.
В продольной направляющей бороздке 12 размещен шарик 14, подпираемый опорной пружиной 15. Опорная пружина 15 установлена на неподвижной раме 3.
Термоэлектрическая система производства энергии работает следующим образом. Источник теплоты помещается в нижней части термоэлектрической системы производства энергии, под одним из термоэлектрических элементов 1. При этом происходит нагрев нижней стороны термоэлектрического элемента 1 и охлаждение его верхней стороны. В соответствии с явлением Зеебека термоэлектрический элемент 1 преобразует часть подводимой тепловой энергии в электрическую энергию, что сопровождается появлением электрического напряжения на клеммах термоэлектрического элемента 1. Полученная электрическая энергия по общей электрической цепи 2 отводится к потребителю.
По мере сообщения теплоты термоэлектрическому элементу 1 за счет его внутренней теплопроводности верхняя сторона термоэлектрического элемента 1 нагревается. Разность температур между нижней и верхней сторонами термоэлектрического элемента 1 уменьшается и эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую снижается.
Одновременно с нагревом термоэлемента 1 происходит нагрев биметаллического термочувствительного устройства 10, расположенного на нижней стороне термоэлектрического элемента 1. При достаточно сильном нагреве биметаллического термочувствительного устройства 10 происходит его срабатывание, проявляющееся в механическом воздействии на пружину 9. Под влиянием этого механического воздействия пружина 9 сжимается. Статическая характеристика совместно действующих биметаллического термочувствительного устройства 10 и пружины 9 обладает дискретностью, благодаря которой воздействие на шток 7 происходит только при достаточно большом нагреве биметаллического термочувствительного устройства 10. Дискретность этого воздействия проявляется в продольном перемещении штока 7 по направляющему элементу 4 «рывком».
Продольное перемещение штока 7 вызывает поворот шестеренки 6 за счет передачи механического усилия посредством зубьев 8. Поскольку рассматриваемый направляющий элемент 4 жестко соединен с вертикальным валом 5, оба направляющих элемента 4 с находящимися на ними штоками 7, пружинами 9, термоэлектрическими элементами 1 и биметаллическими термочувствительными устройствами 10 поворачиваются относительно продольной оси вертикального вала 5. В результате этого поворота термоэлектрический элемент 1, подвергавшийся нагреву, выходит из зоны влияния источника теплоты, а на его место приходит второй термоэлектрический элемент 1, находящийся в холодном состоянии.
Начиная с этого момента полностью прогретый и потерявший эффективность термоэлектрический элемент 1 охлаждается, и в работу вступает второй (холодный) термоэлектрический элемент 1.
Далее последовательность работы описанного фрагмента термоэлектрической системы производства энергии повторяется. Теперь нагревается и преобразует тепловую энергию в электрическую второй термоэлектрический элемент 1. Полученная электрическая энергия по общей электрической цепи 2 также отводится к потребителю. Одновременно с прогревом верхней стороны термоэлектрического элемента 1 и снижения эффективности преобразования тепловой энергии происходит нагрев биметаллического термочувствительного устройства 10 и его последующее дискретное воздействие через пружину 9, шток 7, зубья 8 на шестеренку 6. Поскольку зубья 8 штока 7 второго рассматриваемого направляющего элемента 4 находятся с противоположной стороны относительно оси шестеренки 6, поворот последней будет происходить в противоположную сторону.
Таким образом, в процессе работы термоэлектрической системы производства энергии нагреваемый и охлаждаемый термоэлектрические элементы 1 постоянно меняются местами, что позволяет преобразовывать тепловую энергию в электрическую в наиболее благоприятном режиме.
Для исключения накопления ошибки при повороте вертикального вала 5 на требуемый угол, а также для достижения фиксации направляющих элементов 4 в положении, при котором нагреваемый термоэлектрический элемент 1 находится над источником теплоты, в конструкции термоэлектрической системы производства энергии предусмотрена металлическая лента 11 с продольной направляющей бороздкой 12, двумя углублениями 13 и шариком 14, подпираемым укрепленной на неподвижной раме 3 опорной пружиной 15.
Движение шарика 14 по продольной направляющей бороздке 12 определяется поворотом вертикального вала 5 вместе с направляющими элементами 4 с находящимися на них штоками 7, пружинами 9, термоэлектрическими элементами 1 и биметаллическими термочувствительными устройствами 10 относительно продольной оси вертикального вала 5. При повороте перечнеленных элементов на требуемый угол шарик 14 попадает в углубление 13 в продольной направляющей бороздке 12 на металлической ленте 11. Поскольку шарик 14 подпирается опорной пружиной 15, для его выхода из углубления 13 и продолжения движения по продольной направляющей бороздке 12 требуется значительное усилие, что еще более обусловливает дискретность процесса.
Таким образом, при работе термоэлектрической системы производства энергии происходит поочередный нагрев и охлаждение термоэлектрических элементов. При этом чередование нагрева и охлаждения достигается перемещением термоэлектрических элементов в пространстве за счет механических усилий, развиваемых биметаллическими термочувствительными устройствами и использования энергии источника теплоты. Термоэлектрическая система производства энергии обладает повышенной эффективностью и не требует дополнительных затрат энергии на принудительное охлаждение термоэлектрических элементов.