ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к конструкции термоэлектрического генераторного модуля, используемого в качестве автономного источника электрической энергии.
Известно устройство автономного энергообеспечения (см. патент RU № 176615, кл. U1, публ. 24.01.2018), содержащее источник тепла, нагреватель, термоэлектрический генератор и жидкостный охладитель. Нагреватель выполнен в виде замкнутого контура, содержащего бак для воды и конденсатор пара, соединенные между собой верхним и нижним трубопроводами. В верхнем трубопроводе установлен на выходе из бака паровой клапан, конденсатор пара контактирует с нагреваемой поверхностью термоэлектрогенератора. К выходной разности потенциалов термоэлектрогенератора электрически подключен контроллер заряда, буферный аккумулятор и USB-разъем.
Недостатком указанного устройства является возможная утечка пара, тем самым значительное снижение надёжности устройства. Также недостатком является изменения выдаваемой мощности за счет сезонных колебаний температур окружающей среды.
Известен термоэлектрический генератор (см. патент RU № 2529437, кл. С2, публ. 27.07.2014), содержащий теплоприемник, внутри корпуса, которого размещен источник тепла. Снаружи корпуса установлены последовательно в тепловом отношении термоэлектрические модули и основания теплообменников системы охлаждения, механически связанные с корпусом теплоприемника с помощью средства крепления. Корпус теплоприемника выполнен прямоугольной формы в сечении. По большим сторонам корпуса симметрично расположены термоэлектрические модули и основания. Средство крепления выполнено в виде листовых пружин переменного сечения по длине, имеющих наибольшую толщину в средней зоне, уменьшающуюся к консольной части пружин, вынесенную за теплоприемник. Пружины попарно механически связаны между собой и расположены по краям оснований теплообменников с возможностью плотного и стабильного их прижатия с помощью винтовых блоков через термоэлектрические модули к поверхностям корпуса теплоприемника.
Недостатком указанного устройства является необходимость применения принудительного охлаждения, что делает устройство не автономным и создаёт невозможность эффективного использования данного устройства в районах вечной мерзлоты грунта.
Наиболее близким из известных технических решений является термоэлектрический генераторный модуль (см. патент RU № 178115, кл. U1, публ. 23.03.2018 - прототип). Устройство включает установленный в корпусе частично заполненный жидким теплоносителем термосифон, имеющий теплоприемные трубки, размещенные в зоне нагрева теплоносителя, размещенную на поверхности термосифона термоэлектрическую батарею, имеющей электрические соединения, при этом для отвода тепла от термоэлектрической батареи используется тепловая труба, размещенная на противоположной поверхности термоэлектрической батареи.
В известной конструкции прототипа теплоприемные трубки нагреваются с помощью устройства нагрева, которое работает на любом виде органического топлива. Жидкий теплоноситель нагревается, переходит в газообразную фазу, поднимается вверх и конденсируется в конденсационной части термосифона, отдавая тепло термоэлектрическим батареям с электрическими соединениями. Термоэлектрические батареи с электрическими соединениями охлаждаются с помощью тепловой трубы, которая прилегает к термоэлектрическим батареям с электрическими соединениями с внешней стороны и имеет зону нагрева теплоносителя. Теплоноситель, нагреваясь в зоне нагрева тепловой трубы, переходит в газообразную фазу и перемещается в зону конденсации тепловой трубы. В зоне конденсации теплоноситель тепловой трубы охлаждается и переходит в жидкую фазу, под действием капиллярного эффекта теплоноситель по пористому телу возвращается в зону нагрева тепловой трубы. Зона конденсации погружена в грунт на глубину постоянной температуры грунта, и для более эффективного теплообмена имеет продольные ребра. Тепловой поток проходит через термоэлектрические батареи с электрическими соединениями, создает на термоэлементах перепад температуры, за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и по электрическим соединениям, расположенным на термоэлектрических батареях, поступает полезная электрическая энергия.
Недостатком указанного устройства являются повышенные массогабаритные показатели.
Технический эффект достигаемый предложенным термоэлектрическим генераторным модулем заключается в исключении влияния сезонных колебаний температур окружающей среды, даже в районах с жарким климатом на выделяемую предлагаемым устройством электрическую мощность, также повышение эффективности использования данного устройства в районах вечной мерзлоты грунта, повышение технологичности конструкции за счет применения упрощённой геометрии устройства, а также улучшение массогабаритных показателей, за счет применения в конструкции термосифона и устройства нагрева кольцевой геометрии.
Данный технический эффект достигается в термоэлектрическом генераторном модуле содержащем установленный в корпусе частично заполненный жидким теплоносителем термосифон, имеющий теплоприёмную поверхность, размещенную в корпусе в зоне нагрева термосифона, устройство нагрева, установленное в корпусе в зоне нагрева термосифона, размещенные на внутренней части термосифона термоэлектрические батареи, имеющие токопередающие шины, в котором, согласно полезной модели, на внутренней части термоэлектрических батарей размещена тепловая труба, для отвода тепла от термоэлектрических батарей, имеющая тепловой контакт своей испарительной частью с внутренней поверхностью термоэлектрических батарей и своей конденсационной частью погружённая в грунт.
Суть полезной модели поясняется фиг. 1, где показано, что в состав термоэлектрического генераторного модуля входят:
1 - корпус
2 - термосифон;
3 - жидкий теплоноситель;
4 - теплоприёмная поверхность термосифона;
5 - зона нагрева термосифона;
6 - устройство нагрева теплоприёмной поверхности термосифона;
7 - конденсационная часть термосифона;
8 - термоэлектрические батареи;
9 - токопередающие шины;
10 - тепловая труба, частично заполненная жидким теплоносителем;
11 - испарительная часть тепловой трубы;
12 - конденсационная часть тепловой трубы;
13 - грунт;
14 - продольные ребра тепловой трубы;
15 - пористое тело тепловой трубы.
16 - теплоизоляционный материал.
Конструктивно термоэлектрический генераторный модуль, содержит корпус 1, установленный в нем термосифон 2, кольцевой геометрии, частично заполненный жидким теплоносителем 3, имеющий теплоприёмную поверхность 4, расположенную в зоне нагрева 5, где также расположено устройство нагрева 6. Также термоэлектрический генераторный модуль содержит конденсационную часть 7 термосифона 2, которая представляет собой зону образования конденсата, расположенную на внутренней стенке термосифона 2, выше уровня жидкого теплоносителя. С обратной стороны этой внутренней стенки термосифона 2, на одном уровне с конденсационной частью 7 расположены три термоэлектрические батареи 8, имеющие токопередающие шины 9, с внутренней стороны батарей установлена тепловая труба 10 частично заполненная жидким теплоносителем. Тепловая труба 10 имеет испарительную часть 11, расположенную с внутренней стороны термоэлектрических батарей 8, и имеет зону конденсации 12. Зона конденсации 12 тепловой трубы 10 погружена в грунт 13, и имеет продольные ребра 14. По всей длине стенок тепловой трубы 10 имеется пористое тело 15. Для исключения передачи тепла в местах отсутствия термоэлектрических батарей 8 предусмотрена теплоизоляция 16.
Работа термоэлектрического генераторного модуля осуществляется следующим образом, теплоприёмная поверхность 4, термосифона 2, нагревается с помощью устройства нагрева 6, которое работает на любом виде органического топлива. Жидкий теплоноситель 3 нагревается, переходит в газообразную фазу, поднимается вверх и конденсируется в конденсационной части 7 термосифона 2, отдавая тепло термоэлектрическим батареям 8. Термоэлектрические батареи охлаждаются с помощью тепловой трубы 10, которая прилегает к термоэлектрическим батареям 8 с внутренней стороны и имеет испарительную часть 11. Теплоноситель, нагреваясь в испарительной части 11 тепловой трубы 10, переходит в газообразную фазу и перемещается в зону конденсации 12 тепловой трубы 10. В зоне конденсации 12 теплоноситель тепловой трубы 10 охлаждается и переходит в жидкую фазу, под действием капиллярного эффекта теплоноситель по пористому телу 15 возвращается в испарительную часть 11 тепловой трубы 10. Зона конденсации 12 погружена в грунт 13 на глубину с постоянной температурой грунта, не зависящей от суточных и годовых колебаний температуры окружающей среды, и для более эффективного теплообмена имеет продольные ребра 14. Тепловой поток проходит через термоэлектрические батареи 8, создает на термоэлементах перепад температуры, за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и по токопередающим шинам 9 поступает полезная электрическая энергия.
Преимуществом приведенного термоэлектрического генераторного модуля является повышение технологичности конструкции за счет применения упрощённой геометрии устройства, а также улучшение массогабаритных показателей, за счет применения в конструкции термосифона и устройства нагрева кольцевой геометрии.
Таким образом, реализация данной полезной модели приводит к повышению технологичности конструкции при сохранении эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.