АВТОНОМНЫЙ ПОРТАТИВНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
AUTONOMOUS PORTABLE THERMOELECTRIC POWER SOURCE

Изобретение относится к автономным портативным термоэлектрическим источникам питания и может быть использовано для электрического питания портативных электрических и электронных устройств в условиях полного отсутствия стационарных и сетевых источников электричества и любых других источников энергии, таких как солнечный свет, ветер, прилив, тепловая энергия, тепло ядерных реакций.
Известно техническое решение, в котором предложено переносное электрическое зарядное устройство, включающее в себя источник тепла, термоэлектрический генератор, устройство, аккумулирующее электрическую энергию [1]. Данное устройство простое в использовании, и его удобно носить с собой. Однако данное техническое решение предполагает использование стационарного источника тепла, такие как горячая вода или открытый огонь, что ограничивает возможности его использования, данное устройство не является полностью автономным.
Известно техническое решение, в котором предложена конструкция портативного термоэлектрического зарядного устройства, содержащего термоэлектрический генератор, литий-ионный аккумулятор, модуль выхода электрической энергии и тепловую систему [2]. Недостаток данного технического решения состоит в том, что для его эксплуатации также необходим стационарный источник тепла, такой как нагретый трубопровод или нагретый котел, что ограничивает возможности его использования. Таким образом, данное устройство является автономным только частично.
Известно техническое решение по патенту, в котором предложены система и метод генерации электрической энергии, включающие термоэлектрический модуль генерации электроэнергии и контролируемый источник тепла [3]. Недостатком данного технического решения является то, что источник тепла, такой как камера сгорания газа, является стационарным. Таким образом, предложенная система не является автономным независимым устройством.
Известно техническое решение по патенту, в котором предложена конструкция термоэлектрического генератора с использованием телесного тепла, включающего термоэлектрический элемент, носимый на теле, одной стороной контактирующий с кожей и охлаждаемый воздухом с другой стороны через вентиляционные отверстия, в результате чего возникает градиент тепла и вырабатывается электрическая энергия [4]. Данное устройство является достаточно портативным и автономным, но имеет недостатки. Во-первых, градиент температуры, создаваемый человеческим телом, невысок, а следовательно, КПД такого устройства оказывается крайне низким. Во-вторых, не всегда удобно, что устройство оказывается постоянно привязанным к человеку, т.е. автономность устройства неполная.
Наиболее близким техническим решением является «Теплота сгорания, питающая электронный прибор», в котором предложен портативный термоэлектрический источник питания, использующий теплоту сгорания, включающий термоэлектрический генератор, преобразующий тепло в электричество, источник тепла, находящийся в тепловом контакте с нагреваемой стороной термоэлектрического генератора, рассеиватель тепла, находящийся в тепловом контакте с охлаждаемой стороной термоэлектрического генератора, накопитель электрической энергии [5]. Главные недостатки данного технического решения состоят в том, что 1) источник тепла, получаемого от процесса сгорания, является большим по размерам, т.е. является недостаточно портативным, и 2) для процесса горения требуется, по меньшей мере, кислородная атмосфера. Более того, во многих случаях он является стационарным. Эти недостатки ограничивают условия, в которых данное устройство может быть применено.
Задачами настоящего изобретения одновременно являются уменьшение размеров термоэлектрического источника питания, исключение внешнего источника реагента для получения тепла и тем самым повышение его автономности, что обеспечивает возможность его использования в любых окружающих условиях, включая условия, препятствующие обычному процессу горения, такие как вакуум или высокая влажность.
Для достижения этого предлагается конструкция автономного портативного термоэлектрического источника питания, включающая термоэлектрическое устройство, преобразующее тепло в электричество, источник тепла, находящийся в тепловом контакте с нагреваемой стороной термоэлектрического устройства, теплообменник, находящийся в тепловом контакте с охлаждаемой стороной термоэлектрического устройства, накопитель электрической энергии, в которой источник тепла содержит тепловыделяющий элемент, состоящий из веществ, между которыми может происходить самораспространяющийся высокотемпературный синтез, теплопровод, находящийся в тепловом контакте с нагреваемой стороной термоэлектрического устройства, теплоизолятор, который направляет тепло от тепловыделяющего элемента в сторону теплопровода, а от теплопровода к термоэлектрическому устройству, и инициатор самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в тепловыделяющем элементе.
Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что источник тепла содержит тепловыделяющий элемент, состоящий из веществ, между которыми может происходить самораспространяющийся высокотемпературный синтез, теплопровод, находящийся в тепловом контакте с нагреваемой стороной термоэлектрического устройства, теплоизолятор, который направляет тепло от тепловыделяющего элемента в сторону теплопровода, а от теплопровода к термоэлектрическому устройству, и инициатор самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в тепловыделяющем элементе.
3
Такая совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленные задачи и устранить недостатки способа-прототипа, а именно, данная конструкция автономного портативного термоэлектрического источника питания для получения тепла не требует каких-либо внешних источников, не требует кислорода или какого-либо другого реагента, что дает возможность его использования в любых окружающих условиях, включая условия, препятствующие обычному процессу горения, такие как вакуум или высокая влажность, является компактной, портативной и полностью автономной системой. Особенность самораспространяющегося высокотемпературного синтеза состоит в том, что он может быть инициирован локально и далее распространяется с высокой скоростью, составляющей несколько метров в секунду. При этом выделяется большое количество тепла порядка 3000-5500 кал/см, которое позволяет быстро и локально нагреть необходимый объем до температуры порядка 2000°С. Следует отметить, что в этом процессе не требуется внешнего источника кислорода, отсутствует газовыделение, источник тепла остается в твердом состоянии, поэтому данный процесс еще называется «твердое пламя». Это быстро выделевшееся тепло необходимо длительно сохранять, поэтому в состав источника тепла входит накопитель тепла.
Теплопровод состоит из материала с высокой теплоемкостью, который сохраняет и продолжительно отдает термоэлектрическому генератору большое количество тепла, быстро выделившегося в результате самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в тепловыделяющем элементе. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что теплопровод состоит из материала с высокой теплоемкостью.
Целесообразно, чтобы тепловыделяющий элемент состоял из порошковой смеси окисляющего реагента и восстанавливающего реагента и/или многослойной структуры чередующихся слоев окисляющего реагента и восстанавливающего реагента. Высокая дисперсность порошка обеспечивает развитую площадь поверхности соприкосновения материалов, что снимает кинетические ограничения и обеспечивает высокую скорость распространения высокотемпературного синтеза выделения тепла. Однако восстанавливающий реагент в высокодисперсном состоянии может частично окисляться, что оказывает влияние на процесс высокотемпературного синтеза, и, в частности, может заметно повышать температуру инициации этого процесса. В этой связи интерес представляют многослойной структуры чередующихся слоев окисляющего реагента и восстанавливающего реагента, в которых при сохранении большой площади поверхности соприкосновения границы разделов материалов защищены от доступа атмосферного кислорода и остаются чистыми. Такие структуры имеют более низкую температуру инициации самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что тепловыделяющий элемент состоит из порошковой смеси окисляющего реагента и восстанавливающего реагента и/или многослойной структуры чередующихся слоев окисляющего реагента и восстанавливающего реагента.
Известно, что материалы окисляющего реагента - Ni, Fe, Со, оксид никеля, нитрид никеля, оксид железа, нитрид железа, оксид кобальта, нитрид кобальта, оксид меди, нитрид меди, оксид йода - и материалы восстанавливающего реагента - Al, Mg, Ti, Si, Zr - обеспечивают качественный самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что окисляющий реагент выбирается из группы веществ Ni, Fe, Со, оксид никеля, нитрид никеля, оксид железа, нитрид железа, оксид кобальта, нитрид кобальта, оксид меди, нитрид меди, оксид йода, а восстанавливающий реагент выбирается из группы веществ Al, Mg, Ti, Si, Zr.
Известно, что приборы из ряда: электрический аккумулятор, электрический конденсатор, суперконденсатор, комбинация электрического аккумулятора и конденсатора или суперконденсатора могут служить в качестве эффективных накопителей электрической энергии. При этом электрический конденсатор или суперконденсатор - это быстро заряжающееся устройство, которое способно выдавать высокую мгновенную мощность, но не способно длительно поддерживать одинаковую мощность, а электрический аккумулятор, наоборот, заряжается более длительное время и является устройством, которое способно длительно поддерживать одинаковую мощность, но имеет ограниченную мгновенную мощность. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что накопитель электрической энергии представляет собой электрический аккумулятор, электрический конденсатор, суперконденсатор, или комбинацию электрического аккумулятора и суперконденсатора в зависимости от назначения устройства.
Целесообразно, чтобы инициатор самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в тепловыделяющем элементе представлял собой пьезоэлектрический элемент, создающий искру, или лазер, поскольку энергии этих устройств достаточно для инициации процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. При этом пьезоэлектрический элемент является полностью автономным устройством, а лазерный луч позволяет инициировать синтез с расстояния. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что инициатор самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в тепловыделяющем элементе представляет собой пьезоэлектрический элемент, создающий искру, или лазер.
Теплоизолятор состоит из материала, обладающего низким коэффициентом теплопроводности, и/или содержит теплоотражающий экран в виде слоя из материала с высоким коэффициентом отражения в инфракрасной области спектра длин волн. Это позволяет не рассеивать и эффективно длительно сохранять полученную тепловую энергию, полученную в процессе кратковременного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и направлять ее в сторону термоэлектрического генератора. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что теплоизолятор состоит из материала, обладающего низким коэффициентом теплопроводности, и/или содержит теплоотражающий экран в виде слоя из материала с высоким коэффициентом отражения в инфракрасной области спектра длин волн.
На фиг. 1 приведен предлагаемый автономный портативный термоэлектрический источник питания, где: 1 - инициатор; 2 - теплоизолятор; 3 - тепловыделяющий элемент; 4 - теплопровод; 5 - термоэлектрический устройство; 6 - теплообменник; 7 - накопитель электрической энергии.
Термоэлектрическое устройство 5, имеющее охлаждаемую поверхность и нагреваемую поверхность, со стороны охлаждаемой поверхности находится в хорошем тепловом контакте с теплообменником 6, а со стороны нагреваемой поверхности - с теплопроводом 4. С другой своей стороны теплопровод 4 находится в тепловом контакте с тепловыделяющим элементом 3, в котором имеет место самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Тепловыделяющий элемент 3 и теплопровод 4 со всех сторон, за исключением контактирующих, окружены теплоизолятором 2, включающим отражающий экран. Инициатор 1 служит для создания локального энергетического воздействия на тепловыделяющий элемент 3, например, в виде электрической искры или лазерного луча, инициируя тем самым процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Термоэлектрическое устройство электрически соединено с накопителем электрической энергии 7.
Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну автономного портативного термоэлектрического источника питания. Кроме того, патентные исследования показали, что в научно-технических источниках отсутствуют данные, оказывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.
Настоящее изобретение позволяет устранить недостатки способа-прототипа, обеспечивая автономную работу термоэлектрического источника питания при малых размерах прибора, что повышает его портативность, исключая использование внешнего источника для получения тепла и тем самым гарантируя возможность его использования в любых окружающих условиях и в отсутствие любых других источников энергии.
2
2,8
0,2
2,0
2,4
0,6
0,997
0,003
0,8
0,2
0,5
1,5
3
0,4
1,6
3,0
0,96
0,04
2
3
2
2
3
3
Пример. Автономный портативный термоэлектрический источник питания представляет собой термоэлектрическое устройство, состоящее из многосекционных термоэлементов. Каждая ветвь многосекционного термоэлемента состоит из последовательно соединенных материалов BiTeSe, BiTeSe, PbTeI, SiGe, BiSbTe, BiSbТе, GeBiTe, каждый из которых предназначен для работы в определенном диапазоне температур, что суммарно обеспечивает работу термоэлемента при перепаде температур до 900°С с выходными характеристиками - напряжение от 1 до 12 В, ток - 0,2-5А. С горячей стороны в хорошем тепловом контакте с термоэлектрическим устройством располагается теплопровод на основе ВеО, теплопроводность которого составляет 180 Вт/м*К, обеспечивающий передачу тепла свыше 2000°С. В хорошем тепловом контакте с теплопроводом сверху располагается тепловыделяющий элемент, представляющий собой комбинацию спрессованного порошка Ni-Al в виде таблетки толщиной 5 мм и диаметром 4 см и фольги толщиной 40 мкм, состоящей из последовательно чередующихся слоев Ni-Al с толщиной каждого слоя порядка 100 нм. Для длительного сохранения тепла данная система окружена теплоизолятором на основе волокон AlO, SiO, FeO, плотность которого составляет порядка 300-700 кг/м. В качестве инициатора самораспространяющегося высокотемпературного синтеза выступает пьезоэлемент на основе кварца, выходное напряжение которого 15 кВ, максимальная мощность 0,5 Вт. С холодной стороны термоэлектрического устройства в хорошем тепловом контакте находится теплообменник в виде радиатора из А1 марки АМц-2, с теплопроводностью 188 Вт/м*К. В качестве накопителя электрической энергии выступает ионно-литиевая батарея емкостью 1800 мА⋅ч, напряжение 3,7 В.
Источники информации
1. Патент Китая 204559207, опубл. 12.08.2015 г.
2. Патент Китая 103825309, опубл. 28.05.2014 г.
3. Патент США 2013205780, опубл. 15.08.2013 г.
4. Патент Великобритания 2395027, опубл. 12.05.2004 г.
5. Патент США 6307142, опубл. 23.10.2001 г. – прототип.