Термоэлектрический генератор
THERMOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно, к конструкции термоэлектрического генератора с воздушным охлаждением.
Известен термоэлектрический генератор (ТЭГ), содержащий источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении установлены неподвижно термоэлектрический модуль и охлаждающий воздушный радиатор (см. А.Н. Крошко. Источники тока в системах связи магистральных трубопроводов. М., «Недра», 1974 г, c. 11, рис. 1).
Однако, известный ТЭГ обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что большая часть теплового потока, проходящего от источника тепла через термоэлектрический модуль, сбрасывается радиатором в окружающую среду совершенно бесцельно, а это составляет от 86% до 96%.
Наиболее близким по технической сущности к данному предложению является известное техническое решение, содержащее термоэлектрический генератор с источником тепла и теплоприемником (теплопроводом), на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении установлены неподвижно термоэлектрический модуль и воздушный радиатор, выполненый в виде соединенных неподвижно между собой последовательно чередующихся пластин разной высоты, причем низкие пластины образуют основание радиатора, а высокие пластины и ребра охлаждения и основание радиатора, и вся конструкция радиатора электрически изолирована от нагретой поверхности термоэлектрического модуля (см. патент РФ №2717249, Термоэлектрический генератор, от 12.12.2017 г, кл. МПК H01L 35/00).
Сущность предложенного технического решения заключается в том, что ребра охлаждения радиатора изготовлены из термоэлектрических материалов и образуют ветви «n» и «р»-типа проводимости, которые соединены неподвижно механически и электрически скоммутированы в термоэлементы с помощью низких электропроводящих пластин, одна часть которых образует межэлементную, а другая - внутриэлементную коммутацию по горячему спаю, причем низкие пластины для внутриэлементной коммутации с одной боковой стороны, например, обращенной к ветвям «n»-типа проводимости по всей длине ее и высоте снабжены неразъемным механическим соединением с ветвями, выполненным в виде клеевого слоя дополнительной термостойкой электрической изоляции, а противоположная сторона всех этих пластин снабжена электропроводящим коммутационным подслоем, так же образующим неразъемных паяный или сварной контакт с ветвями противоположного знака проводимости «р»-типа, и все низкие пластины для межэлементной коммутации выполнены из электропроводящих материалов и снабжены с двух боковых сторон по всей их длине и высоте коммутационным подслоем для создания с ветвями термоэлементов неразъемных соединений в виде пайки или диффузионной сварки, и ветви термоэлементов на обоих концах снабжены торцевыми изгибами, выполненными под прямым углом к длине ветви и направленными в противоположнгые стороны, а длина изгибов равна расстоянию между ветвями и, следовательно, ширине низких коммутационных пластин, а горячие и холодные спаи ветвей термоэлементов дополнительно соединены между собой с помощью стыковой сварки или пайки, причем ветви термоэлементов радиатора выполнены из различных термоэлектрических материалов, и одна половина ветвей выполнена из металлического термоэлектрического материала «р»-типа, например, меди, или железа, или сплава антимонида цинка, а вторая соответствующая половина «n»-типа проводимости изготовлена из никеля, или кобальта, или сплава копель, причем ветви термоэлементов радиатора могут быть выполнены так же из различных полупроводниковых термоэлектрических материалов на основе халькогенидов висмута, свинца, сурьмы, германия, олова, скуттерудитов, силицидов, сульфидов, «n» и «р»-типов проводимостив зависимости от легирующих добавок, и низкие пластины все или частично выполнены из постоянных магнитов с точкой Кюри выше максимальной температуры горячего спая термоэлементов радиатора.
Предложенная конструкция термоэлектрического генератора поясняется принципиальными схемными решениями (фиг. 1, где показан термоэлектрический генератор, содержащий: (1) - термоэлектрический электрогенерирующий модуль (ТЭМ), состоящий из термобатарей, размещенных внутри защитного вакуумно-плотного чехла и размещенного между теплопроводом (2), по которому прокачивается теплоноситель (стрелками показано направление движения теплоносителя) и воздушным радиатором, выполненным в виде устройства для отвода тепла (Q) от ТЭМ (1) в окружающую среду, и одновременно в виде термоэлектрической электрогенерирующей незачехленной термобатареи (ТЭБ) «Антер», содержащей термоэлементы, ветви которых (6,7) соединены между собой по горячему и холодному спаям (8) с помощью сварки или пайки по торцам отогнутых частей (12, 13) ветвей.
2
Образующие основание воздушного радиатора низкие пластины (11) одновременно служат для межэлементной коммутации ветвей (6, 7) в термоэлементы по горячему спаю и для соединения последних в единую термоэлектрическую цепь, радиаторную термобатарею «Антер», замкнутую на внешнюю нагрузку (Rн), которая может быть отдельным источником электропитания или подключена к основной электрической цепи термогенератора, содержащего одну (1) или несколько герметизированных термобатарей (ТЭБ), установленных на теплопроводе (2), на чертеже стрелками показано движение теплоносителя и направление передачи от него теплового потока (Q) на основной преобразователь (1) тепловой энергии в электричество в конструкции термогенератора герметизированную ТЭБ (1). Плотность проходящего через ТЭБ (1) теплового потока обычно составляет около 10 вт/см, что при площади ТЭБ (1) около 100 квадратных сантиметров составляет 1 кВт суммарной тепловой мощности, попадающей на радиатор, и до предложенного технического решения бесцельно отводилось в окружающую среду. В предложении заявителя часть теплового потока, попадающего на термоэлектрический радиатор «Антер» превращается в электричество, и это решение не только не ухудшает работу радиатора как теплотехнического устройства по отводу тепла от генераторной ТЭБ (1) за счет теплопроводности ветвей термоэлементов, а наоборот улучшает, так как радиатор «Антер», не имея никаких конструктивных недостатков по сравнению с известным радиатором, работает еще и как тепловой насос, а кроме того вырабатывает дополнительную электрическую мощность для потребителя, не расходуя при этом дополнительного топлива или тепла (Q), поступающего от теплоносителя (2), а утилизируя тепло, отводимое от термоэлектрического модуля (1) в окружающую среду.
Предложенная конструкция термоэлектрического генератора является универсальной. В зависимости от требований по генерируемой электрической мощности и стоимости может быть изготовлена в двух вариантах, а именно, с термоэлектрическим герметизированным модулем (1) и последовательно соединенным с ним по тепловому потоку (Q) термоэлектрическиму радиатором «Антер», или возможен второй вариант, когда термоэлектрический радиатор «Антер» установлен через слой (клеевой) электрической изоляции (5) непосредственно на источнике тепла, в данном случае через тепловыравнивающую пластину (1) на трубопроводе (2), по которому прокачивается теплоноситель, например, нагретая вода в системе отопления. В этом варианте кроме передачи тепла от теплоносителя для отопления помещения, радиатор «Антер» вырабатывает еще и электричество, которое является бесплатным приложением к отоплению, причем конструкция радиатора «Антер» оптимизирована с точки зрения термодинамики, по тем же законам и расчетным формулам, что и обычного (известного) радиатора, по которым выбираются сечения ребер радиатора. В предложенном техническом решении это «р» (6) и «n» (7) типа проводимости ветви термоэлемента, которые в известном радиаторе (прототип) являются высокими ребрами. Межреберные воздушные зазоры, в предложенном устройстве - это расстояния между термоэлементами и их ветвями (9) также рассчитываются по известным формулам термодинамики.
Для оптимизации электрических и термических сопротивлений на межэлементных коммутационных переходах, выполненных из низких пластин (4), они с двух боковых сторон (10), обращенных к ветвям по всей их длине и высоте, снабжены электропроводящим подслоем (10) для пайки или диффузионной сварки с ветвями (6,7), причем, низкие пластины для внутриэлементной коммутации с одной боковой стороны снабжены клеевым электроизоляционным теплопереходом (11), а их противоположная боковая сторона как и на межэлементных коммутационных низких пластинах также находится в неразъемном токопроводящем контакте с ветвью другого знака проводимости и по всей ее длине и высоте нанесен коммутационный подслой (10), для пайки или диффузионной сварки с ветвью термоэлемента, возможно также электропроводящее неподвижное соединение или подслой (10) выполнить из электропроводящего клея. Возможно также для коммутации использование затвердевающих сплавов на основе галлия. При размешивании порошкообразного галлия с чистыми (без окисной пленки) порошками меди, олова образуется взвесь, в которой при комнатной температуре происходит реакция растворения металлов в галлии с образованием достаточно тугоплавких сплавов, выпадающих в твердую фазу, например, сплав, по весу 44% Си + 24% Sn + 32% Ga может использоваться на воздухе до температуры 650°С. После перемешивания, взвесь наносится на соединяемые поверхности методом намазывания и сжимается до затвердевания в технологическом приспособлении, процесс происходит на воздухе при комнатной температуре и характеризуется высокой степенью безопасности и простоты.
Для повышения качества коммутации ветви термоэлементов на обоих концах они снабжены торцевыми изгибами (12), изготовленными под прямым углом к длине ветви и направленными в противоположные стороны (13), причем длина изгибов двух соседних ветвей равна расстоянию между ними и ширине низких коммутационных пластин (4), и горячие и холодные спаи ветвей термоэлементов дополнительно соединены между собой с помощью стыковой сварки или пайки (3, 8).
Ветви термоэлементов радиатора «Антер» выполнены из различных металлических термоэлектрических материалов и одна половина ветвей изготовлена из материала «р»-типа проводимости (6), например, меди, или железа, или антимонида цинка, а вторая соответствующая половина ветвей «n»-типа проводимости изготовлена из никеля (7), или кобальта или сплава копель, который в зарубежной технической литературе и некоторыми отечественными авторами называется - константан, состав которого по весу 61% меди, 39% никеля.
Радиаторы «Антер» как термоэлектрические источники электропитания могут работать в широком температурном интервале от отрицательных температур, например, в космических ядерных реакторах с термоэлектрическим циклом для одновременного отвода тепла с холодной стороны термоэлектрического генератора и, как дополнительного источника электрической энергии повышающего суммарную электрическую мощность бортового источника электропитания, и его важный для космоса показатель как удельная мощность, т.е. ватт на килограмм.
Изготовление термоэлементов в радиаторе «Антер» из металлических материалов отличается простой технологией и низкой себестоимостью, т.к. ветви из меди, железа, никеля, кобальта и сплавов на их основе и других металлов заданного размера получают при помощи штамповки из листового проката. Некоторые виды проката как, например, низкоуглеродистое железо имеют оловянное покрытие, что не только предотвращает коррозию, но и упрощает соединение ветвей с помощью пайки.
Кроме того, в последние десятилетия получен ряд новых металлических термоэлектрических соединений с повышенными энергетическими характеристиками, например, в сплаве на основе палладия, полученном сотрудником ФТИ имени А.Ф. Иоффе д.т.н. М.В. Ведерниковым коэффициент удельной термоэдс достигает 120 мкв/град.
Наиболее значительная добавка в энергетические характеристики термогенератора, содержащего один или несколько герметизированных термоэлектрических модулей получается при изготовлении ветвей термоэлементов радиатора «Антер» из полупроводниковых термоэлектрических материалов, например, на основе халькогенидов свинца, висмута, сурьмы, германия, олова, скуттерудитов, силицидов, сульфидов «n» и «р» типов проводимости в зависимости от легирующих добавок.
С учетом значительного отличия полупроводниковых термоэлектрических материалов по механическим и теплофизическим свойствам от металлических, ветви полупроводниковые радиатора «Антер» изготавливают по известной из литературы технологии горячего пресования с использованием методов порошковой металлургии, включая торцевые изгибы ветвей. Коммутация ветвей осуществляется или пайкой, или диффузной сваркой. Сечения ветвей, их длина, воздушный зазор между ними (9) определяются с помощью расчетов по известным законам термодинамики. Возможен также вариант коммутации ветвей с помощью твердеющего раствора на основе галлия, указанного ранее и обладающего работоспособностью при горячей температуре на радиаторе до 650°С.
Выполнение ветвей термоэлементов радиатора «Антер» из полупроводниковых материалов особенно актуально в случае, когда получение электроэнергии в бортовом источнике питания стоит на первом месте, например, в космической энергетике, использующей ядерные реакторы с термоэлектрическим циклом.
Замена обычных известных радиаторов на термоэлектрические типа «Антер» позволяет существенно повысить характеристику бортового источника электропитания по такому параметру, как удельная мощность (Вт/кг) в 1,6-2 раза. При этом одновременно повышается и КПД преобразования тепловой (ядерной) энергии в электрическую, и в зависимости от используемых полупроводниковых термоэлектрических материалов (из числа указанных выше), конструкции ветвей термоэлементов, величины теплового потока, поступающего на радиатор составляет 1,4-1,6 раза.
Низкие пластины радиатора «Антер», образующие его основание (4) изготовлены из постоянных магнитов полностью или частично, что позволяет просто и надежно в сочетании с клеевым диэлектрическим слоем (5) крепить радиатор на термоэлектрическом модуле (1), в конструкции которого содержатся ферромагнитные материалы, например, железо. При изготовлении термогенератора только из термоэлектрических радиаторов «Антер», они вместо термоэлектрического модуля (1) крепятся неподвижно на тепловыравнивающей пластине (1) (ферромагнитной), установленной неподвижно на металлическом теплопроводе (2) любым известным способом, например, сваркой. На тепловыравнивающей пластине (1) устанавливается неподвижно термоэлектрический радиатор «Антер» или несколько радиаторов через фиксирующий диэлектрический клеевой слой (5), состав которого выбирается в зависимости от температуры теплопровода (2). В этом случае термоэлектрический генератор является одновременно и отопительной батареей (источником тепла) в нагреваемом помещении, например, жилом и источником электропитания для различного бытового использования, например, освещения (Rн), телевизора, компьютера, телефона и так далее.
Необходимо отметить, что при использовании радиатора «Антер» в качестве источника электропитания непосредственно в месте расположения потребителя электрической энергии практически отсутствуют потери электричества, обусловленные протяженностью электрической сети от места выработки электричества до потребителя, и нет затрат на строительство линий электропередач, и их эксплуатацию.
Необходимо также отметить, выполнение низких пластин полностью или частично из постоянных магнитов для упрощения крепления радиатора «Антер» на ферромагнитных (нагреваемых) поверхностях, позволяет также повысить энергетические возможности радиатора, т.к. свойства термоэлектрических материалов существенно улучшаются при воздействии на них магнитного поля.
Актуальность. По данным последней всероссийской переписи населения, значительное число жителей страны не имеют электричества, но все имеют в жилых помещениях источники тепла, в виде дровяных отопительных или варочных печей. Установка термогенераторов, состоящих только из термоэлектрических радиаторов «Антер» на корпусе кирпичной печи или на металлической вытяжной (дымовой) трубе позволяет осуществить электрификацию, при минимальных разовых затратах, жилых помещений, школ, медицинских пунктов и других сооружений. Предлагаемый автономный термоэлектрический источник электропитания (термогенератор) при изготовлении его только из термоэлектрического радиатора «Антер» является термогенератором утилизационного типа, не требующим для своей работы топлива, имеющим кратно более низкую себестоимость по сравнению с другими автономными источниками электроэнергии, например, ветряными или фотовольтаикой. Использование в конструкции термогенератора двух последовательно включенных в тепловом отношении термоэлектрических преобразователей (бинарный вариант), термоэлектрического модуля (1) и термоэлектрического радиатора (4) «Антер» позволяет кратно увеличить генерируемую электрическую мощность, при этом возрастает установочная стоимость термогенератора, но остается значительно более низкой по сравнению с другими автономными источниками, указанными выше. Термоэлектрический генератор предложенной конструкции при работе является абсолютно бесшумным, экологически безопасным, обладающим большим сроком службы, не менее 25 лет в бинарном варианте изготовления и до 50 лет при изготовлении только из термоэлектрических радиаторов «Антер», моноблочный вариант, выполненный из металлических термоэлектрических материалов, указанных выше.
Наиболее актуальна в социальном плане электрификация удаленных и труднодоступных районов страны, где бытовой отопительный источник тепла, снабженный термоэлектрическим радиатором «Антер», позволит существенно улучшить жизненные условия жителей этих районов страны.
Но, и в электрифицированных районах страны с централизованным отоплением не будет лишней установка термоэлектрических преобразователей предложенной конструкции.
10
Расчеты показывают, что установка во всех отапливаемых помещениях, например, по одному радиатору «Антер» в каждом из них генерируемой мощностью 10 Вт, позволит получить в таком мегаполисе как Москва за отапливаемый период (4300 часов) автономной электрической энергии в количестве 1⋅10 кВт/час, что позволит сократить расход органического топлива на тепловых электростанциях и уменьшить выброс в атмосферу вредных веществ, при этом сам радиатор «Антер» абсолютно безвреден.
Термоэлектрический радиатор «Антер» может также использоваться в термогенераторах при преобразовании в электричество геотермальных и других источников тепла.