Слоевой пластинчатый термоэлектрогенератор
LAYER-TYPE PLATE THERMOELECTROGENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для трансформации тепловой энергии в электрическую при отсутствии источников электроснабжения.
Известен универсальный термоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, выполненный из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, оребренный с противоположных сторон параллельными ребрами, образующими между собой пазы, изнутри армированный контурной арматурой, которая состоит из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные параллельные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов M1 и М2, изолированные друг от друга по длине тонким слоем материала-диэлектрика, спаянные на концах между собой, образующие ряды, устроенные таким образом, что части спаянных концов проволочных отрезков располагаются в слоях материала- диэлектрика параллельных ребер, параллельно их боковой поверхности, не касаясь ее, а средние части проволочных отрезков расположены в массиве материала-диэлектрика корпуса, ряды соединены между собой перемычками, крайние проволочные отрезки крайних рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов. [Патент РФ №2575769, МПК H01L 35/02, 2016].
Недостатками известного универсального термоэлектрического преобразователя являются высокий расход металлов M1 и М2 для изготовления термоэмиссионных элементов, определяющий значительный вес устройства, сложность их изготовления, обусловленная необходимостью заготовкой проволочных отрезков, сплющиванием и спайкой их концов, что повышает стоимость и, таким образом, снижает его эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является ленточный термоэлектрогенератор, содержащий сборный корпус, состоящий из верхней крышки и днища, которые с внутренней стороны выполнены с горизонтальными овальными пазами, боковых бортов, снабженных с внутренних сторон круглыми гнездами, расположенными напротив каждого овального паза, торцевых отбортованных крышек, при этом верхняя крышка и днище выполнены из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, боковые борта выполнены из материала-диэлектрика с низкой теплопроводностью, крышка снабжена на противоположных концах полюсными коллекторами, внутри корпуса в верхние и нижние гнезда боковых бортов через овальные пазы параллельно его торцам горизонтально вставлены шпильки, в зазорах между ними и поверхностью овальных пазов пропущена лента, обе поверхности которой, за исключением начального и последнего участков ленты, поочередно покрыты равными отрезками полос (пластин) фольги разных металлов M1 и М2 с напуском друг на друга таким образом, чтобы верхние и нижние концы каждого отрезка фольги были прижаты шпильками к поверхности лотков овальных пазов верхней крышки и днища, соответственно, образуя отдельный, вертикально расположенный, термоэмиссионный (термоэлектрический) преобразователь, соединенный аналогично с предыдущим и последующим термоэмиссионными преобразователями во всем корпусе, образуя термоэлектрическую секцию, начальный и последний участки ленты покрыты равными отрезками полос фольги разных металлов M1 и М2 только с внутренней стороны, их верхние концы плотно соединены с полюсными коллекторами (токовыводами), причем плотный контакт нижних концов полюсных коллекторов с верхними концами крайних отрезков полос фольги термоэлектрической секции, а также верхних и нижних отрезков полос фольги металлов M1 и М2 всех термоэмиссионных преобразователей осуществляется сжатием до упора боковых бортов, а также прижатием к ним торцевых отбортованных крышек [Заявка на изобр. №20173155, МПК H01L 35/02, 2017].
Основными недостатками известного ленточного термоэлектрогенератора являются вертикальная расположение термоэлектрических преобразователей и малая площадь контакта металлов M1 и М2 на спаях, размещение термоэлектрических преобразователей в корпусе и связанное с этим отсутствие непосредственного контакта спаев с горячей и охлаждающей средами, значительное расстояние между верхними и нижними спаями, влекущее за собой увеличение электрического сопротивления в термоэлектрических преобразователях, что усложняет его конструкцию, увеличивает его вес, снижает температурный перепад на противоположных спаях и, таким образом, снижает его эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности слоевого пластинчатого термоэлектрогенератора.
Технический результат достигается слоевым пластинчатым термоэлектрогенератором, содержащим термоэлектрическую секцию, представляющую собой слоевую ленту, состоящую из соединенных между собой термоэлектрических преобразователей, каждый из которых представляет собой Z-образную пластину, выполненную из металла M1, соединенную поочередно сваркой или спайкой с горизонтальным нижним ребром, находящимся в зоне нагрева или верхним ребром, находящимся в зоне охлаждения, П-образной пластины, выполненной из металла М2, образуя нижние и верхние спаи, соответственно, причем по всей длине ленты в промежутке между верхним и нижним спаями термоэлектрических преобразователей помещены теплоизоляционные прокладки с напуском относительно вышеупомянутых спаев равным Δ, к верхней поверхности всех термоэлектрических преобразователей, покрытой слоем гидроэлектроизоляции прикреплен радиатор, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, нижняя поверхность всех термоэлектрических преобразователей также покрыта слоем гидроэлектроизоляции, а кромки Z-образных и П-образных пластин крайних термоэлектрических преобразователей соединены с токовыводами.
На фиг. 1-7 представлен предлагаемый слоевой пластинчатый термоэлектрогенерагор (СПТЭГ); фиг. 1-3 - общий вид СПТЭГ, фиг. 4, 5 - разрезы термоэлектрических преобразователей (ТЭП), фиг. 6, 7 - узел стыковки ТЭП.
Предлагаемый СПТЭГ содержит термоэлектрическую секцию (ТЭС) 1, представляющую собой слоевую ленту, состоящую из соединенных между собой термоэлектрических преобразователей (ТЭП) 2, каждый из которых представляет собой Z-образную пластину 3, выполненную из металла M1, соединенную поочередно сваркой или спайкой с горизонтальным нижним ребром 4, находящимся в зоне нагрева или верхним ребром 5, находящимся в зоне охлаждения, П-образной пластины 6. выполненной из металла М2, образуя нижние 7 и верхние 8 спаи, соответственно, причем по всей длине слоевой ленты в промежутке между верхним 7 и нижним 8 спаями ТЭП 2 помещены теплоизоляционные прокладки 9 с напуском относительно вышеупомянутых спаев равным Δ (величина Δ выбирается из условия предотвращения контакта соседних спаев 7 или 8). к верхней поверхности всех ТЭП 2, покрытой слоем гидроэлектроизоляции (на фиг 1-7 не показана) прикреплен радиатор 10 (узлы крепления не показаны), выполненный из материала с высокой теплопроводностью (на фиг. 1-7 показан радиатор, выполненный в форме швеллера), нижняя поверхность всех ТЭП 2 также покрыта слоем гидроэлектроизоляции (на фиг 1-7 не показана), а кромки пластин 3 и 6 крайних ТЭП 2 соединены с токовыводами 11 и 12.
В основу работы предлагаемого СПТЭГ положено следующее. Так как СПТЭГ состоят из отдельных термоэлектрических преобразователей (ТЭП) 2, выполненных из пар отрезков Z-образных 3 и П-образных 6 пластин, выполненных из разных металлов M1 и М2, со спаями большой площади, плотно соединенными между собой, то при нагреве (охлаждении) одних спаев ТЭП 2 с одной стороны и охлаждении (нагреве) противоположных им спаев, на них устанавливаются разные температуры и в зоне контакта металлов M1 и М2 происходит термическая эмиссия электронов, в результате чего в ТЭП 2 и ТЭС 1 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506].
СПТЭГ работает следующим образом. При соприкосновении нижней поверхности ТЭП 2 слоевой ленты ТЭС 1 с горячей средой, а радиатора 8 противоположной стороны с холодной средой верхние спаи 8 ТЭП 2 сверху охлаждаются, а нижние 7 нагреваются ввиду наличия теплоизоляционной прокладки 9, на них устанавливаются разные температуры, происходит процесс передачи тепла от горячей среды к холодной. Одновременно с процессом теплопередачи в результате разности температур нагретых 7 и охлажденных 8 спаев ТЭП 2 в ленте 1 появляется термоэлектричество, которое через токовыводы 11, 12 и однополюсные коллекторы электрических зарядов поступает в преобразователь и аккумулятор (на фиг. 1-7 не показаны), откуда подается потребителю.
При этом наличие теплоизоляционных прокладок 9, небольшое расстояние между верхними 8 и нижними 7 спаями ТЭП 2, их значительная площадь обеспечивают передачу большего количества тепла, снижение электрического сопротивления и, соответственно, увеличение вырабатываемого термоэлектричества СПТЭГ по сравнении с протипом. Кроме того, горизонтальная ленточная компоновка ТЭС 1 и прижатие ТЭП 2 к горячей поверхности радиатором 10 создает более плотный контакт этих полос, что также повышает выработку термоэлектричества каждым ТЭП 2 и, соответственно, всей СПТЭГ.
Величина разности электрического потенциала на токовыводах 11, 12 и сила электрического тока зависит от характеристик пластин металлов M1 и М2, из которых изготовлены пластины 3 и 6, площади спаев 7 и 8, числа ТЭП 2 в ленте 1, разности температур на противоположных спаях 7 и 8 ТЭП 2. Полученный электрический ток из одиночного СПТЭГ, можно использовать для подзарядки гаджетов-мобильных телефонов, айфонов, плэйеров и тому подобных устройств в условиях отсутствия электроснабжения при наличии горячих или холодных поверхностей. Так, например, при наличии горячей поверхности (поверхность плиты) СПТЭГ устанавливают на нижние спаи 7. При наличии холодной поверхности (снег, лед) СПТЭГ устанавливают наоборот на радиатор 10. При компоновке множества СПТЭГ, полученный электрический ток можно использовать для самых различных целей (освещения зданий, горячего водоснабжения, зарядки автомобильных аккумуляторов, электроснабжения космических и подводных аппаратов и пр.), при условии наличия сред или поверхностей с различными температурами.
Таким образом, предлагаемое изобретение, в результате использования термоэлектрических преобразователей, выполненных из пар отрезков Z-образных 3 и П-образных 6 пластин, выполненных из разных металлов M1 и М2, со спаями большой площади, непосредственного контакта спаев с горячей средой, небольшое расстояние между верхними и нижними спаями, влекущее за собой снижение электрического сопротивления и увеличение температурного перепада на противоположных спаях в термоэлектрических преобразователях, упрощение конструкции путем выполнения термоэлектрической секции в виде слоевой ленты снижает его вес, увеличивает тепловой поток, проходящий через термоэлектрические преобразователи и вырабатываемое термоэлектричество и, таким образом, повышает его эффективность.