IT201900014988A1 - Generatore termoelettrico ad effetto seebeck - Google Patents

Description

Titolo: Generatore termoelettrico ad effetto seebeck.

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un generatore termoelettrico ad effetto seebeck, in particolare un generatore di energia elettrica tramite combustione. L'invenzione è stata fatta con particolare riferimento ad un generatore adatto ad un veicolo, quale ad esempio un camper, tuttavia non si escludono altre applicazioni, quali ad esempio l'uso in ambienti privi di allaccio elettrico, quali i rifugi di montagna o i natanti. L'invenzione è particolarmente adatta ad essere sfruttata come parte di un cogeneratore di energia elettrica, energia termica per riscaldamento ambientale ed acqua calda sanitaria.

STATO DELLA TECNICA

Nel settore sono noti generatori di energia elettrica a combustione, particolarmente apprezzati nel settore dei camper, dove il veicolo deve essere energeticamente autonomo per tutte le necessità degli occupanti.

Dal modello di utilità italiano anteriore n.BO2011U000093 di è noto un cogeneratore per veicoli e ambienti privi di allaccio elettrico. Il cogeneratore di comprende un bruciatore e un circuito posto attorno alla parete esterna della sua camera di combustione percorso da un fluido da riscaldare. Tra la camera di combustione e il percorso sono interposti generatori termoelettrici preposti alla generazione di energia elettrica, come le celle di Peltier che forniscono il noto effetto seebeck.

Il cogeneratore di è molto ingegnoso in quanto in poco spazio e in maniera semplice permette il recupero del calore del bruciatore per il riscaldamento di aria e acqua ad uso domestico, e la generazione di corrente per effetto seebeck.

Il cogeneratore di i tuttavia lascia spazio a interessanti miglioramenti.

La domanda di brevetto successiva EP2911210 di sfrutta i principi del cogeneratore di Longhi descritto sopra, ma non lo migliora, in quanto fa riferimento a una generica gestione del delta termico per la generazione di calore e la sua dissipazione, già anticipato da , che è in grado di gestire accensioni e spegnimenti automatici al variare della temperatura.

Scopo della presente invenzione è quello di superare per miglioramento i generatori noti indicati sopra.

Uno scopo preferibile della presente invenzione è quello di ottimizzare il riscaldamento di un veicolo ottenuto mediante un cogeneratore che comprenda un generatore termoelettrico.

Uno scopo preferibile della presente invenzione è quello di ottimizzare il rendimento di un generatore termico a combustione posto a bordo di un veicolo, specialmente un camper, o in generale mobile.

Uno scopo preferibile della presente invenzione è quello di ottimizzare il rendimento di un generatore termoelettrico ad effetto seebeck.

Un ulteriore scopo preferito della presente invenzione è quello di fornire un generatore termoelettrico di facile ed economica realizzazione.

INTRODUZIONE GENERALE

Secondo un suo primo aspetto generale la presente invenzione riguarda un generatore termoelettrico comprendente una camera di combustione (25) che alloggia al suo interno mezzi di schermatura e irradiazione (45) per schermare dal calore diretto proveniente dalla fiamma di combustione almeno una parete della camera sul cui lato esterno sono fissati una pluralità di mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70), e irradiarla con un calore più uniformemente distribuito, dove detta pluralità di mezzi di generazione comprende preferibilmente una pluralità di celle ad effetto seebeck poste a rivestire detta parete.

Il generatore termoelettrico preferibilmente comprende una camera di combustione (25) sostanzialmente prismatica a sezione sostanzialmente triangolare:

• la camera comprende due pareti (25a e 25b) del prisma triangolare (25) convergenti verso l'alto, almeno una rivestita esternamente alla camera da mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70);

• la camera di combustione alloggia al suo interno mezzi di generazione di fiamma (36) in prossimità o in corrispondenza del lato inferiore del prisma;

• la camera di combustione alloggia al suo interno mezzi di schermatura e l'irradiazione (45) per schermare detti lati convergenti verso l'alto (25a, 25b) dal calore diretto proveniente da detta fiamma e irradiarli con un calore più uniformemente distribuito.

Preferibilmente i mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70) rivestono uniformemente entrambe dette pareti convergenti verso l'alto (25a e 25b).

I mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70) sono in quantità tale da produrre almeno energia elettrica sufficiente a garantire il funzionamento autonomo del generatore termoelettrico e più in generale del cogeneratore (1), ad esempio alimentando un centralina di gestione. E' tuttavia preferibile che la quantità di energia elettrica prodotta sia maggiore per alimentare anche altre utenze.

Secondo un caratteristica generale preferibile le pareti della camera di combustione (25a e 25b) rivestite dai mezzi di generazione di corrente elettrica a effetto seebeck (55, 70) sono rivestire almeno parzialmente, preferibilmente uniformemente, da mezzi di raffreddamento (30), dove detti mezzi di generazione seebeck (55, 70) sono operativamente interposti tra dette pareti (25a, 25b) e detti mezzi di raffreddamento (30).

In tal caso preferibilmente i mezzi di generazione seebeck comprendono una pluralità di unità seebeck raffreddate dai mezzi di raffreddamento, fissate una indipendentemente dall'altra a dette pareti (25a, 25b) a rivestirle a mosaico.

Secondo una caratteristica generale preferibile dell'invenzione i mezzi di schermatura e irradiazione uniforme del calore (45) comprendono una flangia di sezione a V, interposta tra i mezzi di generazione di fiamma e detti lati della camera di combustione convergenti verso l'alto, orientata con la cuspide (46) come la cuspide (38) formata da detti lati (25a, 25b).

La flangia (45) preferibilmente si estende sostanzialmente per tutta la lunghezza L della camera (25) in direzione ortogonale alla sezione triangolare, dove preferibilmente anche i mezzi di generazione di fiamma (36) hanno la medesima lunghezza.

Secondo alcune forme di attuazione preferite, la flangia (45) comprende una o più aperture (48) su entrambi i lati della v disposte nelle zone a calore minore, ad esempio in posizione prossimale alla cuspide (46), per permettere un passaggio maggiore di calore dalla fiamma alle parti alte delle pareti (25a e 25b) della camera di combustione.

Secondo un suo secondo aspetto indipendente e combinabile con gli altri, l'invenzione riguarda un generatore termoelettrico comprendente una camera di combustione (25) almeno parzialmente rivestita esternamente da una pluralità di celle seebeck (70) disposte a tessere di mosaico fissate alla camera una indipendentemente dall'altra. La camera può essere definita da un qualsiasi numero di pareti, preferibilmente con superficie esterna piatta per il contatto con le celle seebeck.

Secondo alcune forme di attuazione preferite dell'invenzione dette celle seebeck sono ciascuna parte di rispettive unità seebeck raffreddate, ad esempio comprendenti mezzi di supporto di almeno un condotto di raffreddamento.

Preferibilmente ciascuna unità comprende una piastra di compressione (58) per serrare una cella seebeck (55) su una relativa parete (25a, 25b) della camera di combustione (25), dove detta piastra definisce mezzi di supporto (62) almeno parziale di un circuito di raffreddamento (30) su un lato (58b) opposto ad un lato (58a) di contatto con la cella seebeck (55).

Secondo una ulteriore caratteristica preferibile ciascuna unità comprende una seconda piastra (60) accoppiata alla piastra di compressione (58) per definire tra loro una sede di alloggiamento e supporto (62) di un condotto (65) del circuito di raffreddamento (30).

Secondo alcune forme di attuazione preferite detta sede di alloggiamento e supporto (62) ha una superficie di contatto con detto condotto estesa nella direzione longitudinale del condotto quanto l'estensione (L1) in tale direzione della piastra di compressione (58), dove tale direzione è preferibilmente parallela al rispettivo lato rivestito (25a, 25b) della camera di combustione (25).

Secondo esempi particolarmente vantaggiosi e sinergici il generatore con le celle seebeck a mosaico è anche del tipo con la camera prismatica e i mezzi di schermatura e irradiamento descritto in precedenza.

Secondo un suo terzo aspetto indipendente e combinabile con gli altri, l'invenzione riguarda un generatore termico comprendente una camera di combustione (25) alimentata separatamente da aria e gas combustibile in maniera da essere introdotti in forma non premiscelata tra loro e in rapporto variabile, in particolare la camera è alimentata da rispettivi mezzi di alimentazione di aria e da mezzi di alimentazione di gas combustibile, dove:

• il generatore comprende mezzi di aspirazione forzata dei gas combusti (72); • i mezzi di alimentazione dell'aria (80) comprendono una apertura di aspirazione di dimensioni variabili per mezzo di una valvola di strozzatura (82).

Secondo alcune forme di attuazione preferite la valvola di strozzatura (82) è comandabile, o spostabile manualmente, in base alle indicazioni date da una centrale di elaborazione (78) comunicante con almeno una sonda di rilevamento di almeno un paramero dei gas combusti (74) della camera di combustione e almeno con mezzi di rilevamento dell'altezza sul livello del mare (76) e/o con mezzi di rilevamento della pressione atmosferica.

Preferibilmente la centrale di elaborazione (78) è programmata secondo fasce di funzionamento ottimale ciascuna identificata da una combinazione di intervalli di valori di parametri scelti tra un parametro dei gas combusti, un parametro della fiamma nella camera di combustione, l’altezza sul livello del mare, la pressione atmosferica, un valore di corrente, in particolare la centrale di elaborazione è programmata per associare a ciascuna fascia di funzionamento ottimale una rispettiva posizione predeterminata della valvola di strozzatura dell'aria aspirata.

Secondo alcune forme di attuazione preferite la valvola di strozzatura (82) è comandabile, o settabile manualmente, in base alle indicazioni date da una centrale di elaborazione (78) comunicante con almeno una sonda di rilevamento di presenza di fiamma nella camera di combustione (25).

In tal caso ad esempio la sonda di presenza di fiamma è una sonda di ionizzazione che sfrutta la presenza di ioni positivi sviluppati dalla combustione dell'idrogeno e dell'ossigeno per generare una corrente elettrica,

la centrale di elaborazione essendo programmata per determinare se la fiamma della camera di combustione è accesa oppure no in base alla misura di tale corrente e per effettuare in base ad essa una stima della produzione di C02, la centrale di elaborazione è inoltre programmata per correggere i parametri della velocità di aspirazione (72) e/o della quantità di aria immessa in camera (82) in base a detta stima di CO2.

Preferibilmente la sonda di presenza di fiamma è composta da due elettrodi percorsi dalla fiamma, uno positivo e uno negativo, gli ioni prodotti dal calore della fiamma vengono attratti dall'elettrodo negativo ricco di elettroni e danno origine ad una debole corrente continua misurata dalla centrale di elaborazione.

Secondo un suo quarto aspetto generale indipendente e combinabile con gli altri l’invenzione riguarda un procedimento di controllo della combustione in un generatore, caratterizzato dal fatto di:

- alimentare la camera di combustione con aria e gas combustibile non premiscelati tra loro; - introdurre nella camera di combustione , per aspirazione ad esempio conseguente ad una aspirazione forzata dei gas combusti, l’aria non premiscelata al gas e in quantità variabile definita in base ad almeno uno tra: un parametro dei gas combusti, un parametro della fiamma nella camera di combustione, l’altezza sul livello del mare, la pressione atmosferica, un valore di corrente. Preferibilmente il parametro della fiamma è una corrente continua determinata mediante una sonda di ionizzazione.

Secondo un suo quinto aspetto indipendente e combinabile con gli altri, l'invenzione riguarda un cogeneratore comprendente:

- un generatore termoelettrico (5) e

- uno scambiatore di calore (10),

• il generatore termoelettrico è dotato di una camera di combustione (25) e di un circuito di raffreddamento (30) in cui circola un fluido

• lo scambiatore (10) comprende:

- un serbatoio (85) posto a ricevere e contenere detto fluido proveniente del circuito di raffreddamento (30);

- una coppia di serpentine (86, 88) attraversate rispettivamente dai gas di scarico provenienti dalla camera di combustione (25), e da acqua diretta ad un circuito di erogazione di acqua calda sanitaria (97);

il serbatoio (85) comprende una uscita per il fluido diretta ad un circuito di riscaldamento ambientale (90).

Preferibilmente il generatore termoelettrico (5) comprende mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70) che rivestono almeno parzialmente la camera di combustione (25), e la circolazione del fluido nel circuito di raffreddamento (30) è tale per cui raffredda detti mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70) prima del suo ingresso nel serbatoio (85). Più preferibilmente il generatore termoelettrico è del tipo indicato in precedenza.

Vantaggiosamente lo scambiatore così ideato e inserito nel cogeneratore permette una ottimizzazione dei consumi e una elevata resa sia di corrente elettrica che di calore per riscaldamento e acqua sanitaria.

Secondo alcune forme di attuazione preferite, detto fluido è una miscela di acqua e glicole.

Secondo alcune forme di attuazione preferite il serbatoio (85) contiene almeno una resistenza elettrica (97) per il riscaldamento del fluido, collegabile ad una rete di alimentazione elettrica esterna al cogeneratore e gestita da una centralina (170) per riscaldare il fluido almeno quando la camera di combustione (25) è spenta.

Secondo un suo sesto aspetto generale indipendente e combinabile con gli altri l'invenzione riguarda un impianto di servizio (96) per utenze elettriche, di riscaldamento e di acqua sanitaria comprendente:

- un cogeneratore (1) del tipo indicato in precedenza,

- un circuito di riscaldamento ambientale (90) alimentato dal cogeneratore

- un circuito di erogazione di acqua sanitaria (95) alimentato dal cogeneratore

- un circuito di erogazione di energia elettrica alimentato dal cogeneratore,

dove il cogeneratore alimenta elettricamente anche se stesso e comprende una batteria di accumulo (160) della corrente prodotta dai mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70).

Preferibilmente l'impianto comprende una centralina di gestione (170) alimentata dalla batteria (160) e/o dal cogeneratore (1).

Secondo un settimo aspetto generale indipendente e combinabile con gli altri l'invenzione riguarda un veicolo comprendente un impianto del tipo indicato in precedenza.

In via del tutto generale si osserva che la camera di combustione della presente invenzione è a geometria fissa, cioè non varia il suo volume costante come ad esempio la camera di combustione di un motore a pistoni.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno meglio dalla seguente descrizione dettagliata di sue forme di realizzazione preferite, fatta con riferimento ai disegni allegati e data a titolo indicativo e non limitativo. In tali disegni:

- la figura 1 rappresenta schematicamente un cogeneratore secondo la presente invenzione;

- le figure 2 e 3 rappresentano il bruciatore del cogeneratore di figura 1;

- la figura 4 rappresenta una sezione trasversale della camera di combustione del bruciatore delle figure precedenti:

- la figura 5 rappresenta schematicamente il cogeneratore di figura 1 secondo un punta di vista prospettico differente che mette in evidenza il condotto di uscita dei gas combusti dalla camera di combustione;

- la figura 6 mostra in vista esplosa i mezzi di strozzatura dell'aria in ingresso alla camera di combustione;

- la figura 7 mostra in vista esplosa lo scambiatore di calore del cogeneratore delle figure precedenti;

- la figura 8 mostra schematicamente un impianto di riscaldamento e di fornitura di acqua calda ad uso sanitario comprendente il cogeneratore delle figure precedenti particolarmente adatto ad un camper;

- la figura 9 mostra schematicamente un camper equipaggiato con l'impianto di figura 8.

La figura 1 mostra un cogeneratore indicato nel complesso con il numero di riferimento 1.

Il cogeneratore 1 è formato come unità di cogenerazione comprendente un generatore termoelettrico 5, e uno scambiatore di calore 10 operativamente connessi tra loro.

In particolare l'unità 1 comprende primi mezzi di convogliamento 15 dei gas di combustione del generatore termoelettrico 5 allo scambiatore 10, e secondi mezzi di convogliamento 20 di fluido preriscaldato dal generatore 5 allo scambiatore 10.

Il fluido preriscaldato, come si vedrà in seguito, funge prima da fluido di raffreddamento del generatore, così da acquisire calore e cederlo poi allo scambiatore.

Con riferimento alla figura 2 e 3, il generatore 5 comprende una camera di combustione 25 sostanzialmente prismatica a sezione sostanzialmente triangolare.

Le pareti 25a e 25b del prisma triangolare 25 convergenti verso l'alto sono rivestite esternamente alla camera da un circuito di raffreddamento 30 collegato allo scambiatore per inviare il fluido preriscaldato mediante i primi mezzi di convogliamento 15.

Il circuito di raffreddamento 30 riveste in maniera uniforme il prisma su due lati esterni del triangolo.

La sezione della camera 25 è sostanzialmente a triangolo isoscele, dove il lato di base 32 è preferibilmente più corto degli altri due 34 convergenti verso l'alto, e si apre su una sede interna inferiore 35 per l'alloggiamento di mezzi di bruciatore 36 atti all'immissione del combustibile.

La cuspide 38 della sezione triangolare contrapposta alla base 32 si apre su un canale interno superiore 40 per la raccolta dei gas combusti, comprendente preferibilmente mezzi di catalizzatore 42. Il canale 40 comunica con una uscita di aspirazione 43.

Le pareti 25a e 25b che definiscono i lati 34 convergenti verso l'alto hanno i lati interni corrugati per aumentare la superficie di assorbimento del calore, esse ad esempio comprendono lamelle 44 proiettate verso l'interno della camera 25.

La camera 25 comprende al suo interno mezzi per l'irradiazione uniforme del calore 45 alle pareti 25a e 25b. In particolare detti mezzi 45 comprendono una flangia di sezione a V rovesciata 45 interposta tra i mezzi di bruciatore 36 e le pareti convergenti verso l'alto 25a e 25b. In tale maniera la cuspide 46 della flangia 45 è orientata come la cuspide 38 della camera 25.

La flangia 45 ha pareti 45a e 45b sostanzialmente parallele alle pareti convergenti verso l'alto 25a e 25b della camera 25. Essa si estende sostanzialmente per tutta la lunghezza L della camera 25 in direzione ortogonale alla sezione triangolare. Si osserva che preferibilmente anche il bruciatore 36 ha la medesima lunghezza.

La flangia 45 ha pareti sostanzialmente piene, ad esempio in lamiera, così da schermare le pareti 25a e 25b dalla fiamma. Le pareti della flangia 45 comprendono una o più aperture 48 su entrambi i lati della v, in numero uguale e speculari tra loro. Dette aperture sono disposte in posizione prossimale alla cuspide 46 e permettono un passaggio maggiore di calore dal bruciatore alle parti alte delle pareti 25a e 25b, che diversamente risulterebbero più fredde delle parti basse più prossime alla fiamma.

Le aperture 48 ad esempio sono realizzate mediante piegatura di lembi di flangia intagliati nelle pareti 45a e 45b. Tali lembi ad esempio sono uniti alla parte rimanente della flangia in un lato inferiore e si distanziano da essa nella parte sommitale. Le aperture 48 sono preferibilmente in generale allineate tra loro nel senso della lunghezza L della camera 25, e preferibilmente sono di sezione rettangolare. Preferibilmente è presente una sola linea di aperture 48 per ogni parete 45a e 45b.

Le pareti convergenti verso l'alto 25a e 25b hanno rispettive superfici esterne piatte per l'accoppiamento ad una pluralità di celle ad effetto seebeck 55. Ciascuna cella 55 è fissata alla rispettiva parete 25a/25b indipendentemente dalle altre celle 55, mediante una rispettiva piastra di compressione 58. Ciascuna cella ad effetto seebeck 55 è interposta tra la parete 25a/25b e la relativa piastra di compressione 58, dove queste ultime sono serrate tra loro, ad esempio mediante viti. In tale maniera vantaggiosamente è possibile garantire che tutte le celle 55 abbiano un appoggio ottimale alla parete della camera di combustione, e pertanto che il loro lato destinato ad essere "caldo" per il funzionamento dell'effetto seebeck, sia opportunamente riscaldato.

Le celle 55 e le piastre di compressione 58 sono meglio visibili nel dettaglio in scala ingrandita ed esploso di figura 3. Qui si nota come le celle ad effetto seebeck 55 sono celle con due lati piatti 55a e 55b contrapposti tra loro, uno destinato ad essere più caldo dell'altro per generare il delta termico tra loro ottimale alla produzione di energia elettrica.

La piastra di compressione 58 ha una faccia piatta 58a di contatto con la relativa cella 55, mentre la faccia opposta 58b è sagomata a sezione concava per formare assieme ad una seconda piastra a sezione concava 60 una sede 62 per un condotto di raffreddamento 65 alle spalle della cella 55.

La sede 62 preferibilmente ha una superficie di contatto della piastra di compressione 58 al condotto di raffreddamento 65 estesa per tutta la lunghezza L1 di detta piastra 58, aumentando così la superficie di scambio.

Ancora più preferibilmente anche la superficie di contatto della seconda piastra concava 60 al condotto di raffreddamento 65 è estesa per tutta la lunghezza L1, aumentando così la superficie di scambio.

In generale è preferibile che le piastre 58 e 60 formino tra loro una sede 62 che è un condotto di contenimento e contatto 71 per il condotto di raffreddamento 65, preferibilmente a sezione circolare di diametro uguale al diametro esterno del condotto 65 e lunghezza uguale ad almeno una delle due piastre 58, 60, preferibilmente almeno la 58, così da massimizzare le reciproche superfici di contatto.

Le sedi 62 sono disposte allineate tra loro a formare una pluralità di condotti 71 paralleli sulle pareti 25a/25b, preferibilmente uniformemente distribuiti così, da rendere uniforme la temperatura esterna.

In generale è preferibile che l'area rispettiva delle facce contrapposte 55a e 55b della cella seebeck 55 sia minore dell'area della faccia 58a della piastra di compressione 58, in particolare è preferibilmente che quest'ultima si sovrapponga completamente alla cella seebeck.

In particolare, le sedi 62 fanno da supporto per il condotto 65 del circuito di raffreddamento 30, che in questa maniera preleva il calore dalle pareti delle celle 55 e lo conferisce allo scambiatore 10.

Il condotto 65 preferibilmente segue un percorso da un ingresso verso una uscita del circuito di raffreddamento 30, da cui prosegue verso lo scambiatore 10. Lungo questo percorso il condotto 65 incontra prima le celle 55 poste nella parte bassa del generatore e potenzialmente più calde, e poi quelle nella parte alta.

Il fluido di raffreddamento in uscita dal circuito di raffreddamento 30 è fluido preriscaldato portato allo scambiatore 10 dai secondi mezzi di convogliamento 20.

In generale il fluido che scorre nel circuito di raffreddamento 30 comprende glicole, più preferibilmente una miscela comprendente almeno acqua e glicole.

Ciascuna cella 55 e le relative piastre 58 e 60 formano rispettive unità seebeck 70 raffreddate che rivestono l'esterno delle pareti 25a e 25b della camera di combustione come un mosaico uniforme, nell'esempio ne sono mostrate 9 per lato.

Almeno la piastra 58 è in materiale ad elevata conducibilità termica, ad esempio alluminio.

Le pareti 25a e 25b della camera di combustione sono in materiale ad elevata conducibilità termica e resistenza alle alte temperature, ad esempio la lega 6060 Anticorodal di alluminio-magnesio-silicio.

In generale si osserva che una cella seebeck preferibilmente può essere realizzata con molte giunzioni a effetto Peltier in serie.

L'energia elettrica prodotta delle celle seebeck 55 è preferibilmente immagazzinata in una batteria 160 di alimentazione della centralina 170 e in generale di tutte le parti elettriche del cogeneratore 1, quali possono essere ad esempio una o più candelette di accensione del bruciatore, e uno o più sensori di temperatura.

Nell'uso il bruciatore 36 genera una fiamma nella camera 25. Il calore incontra la flangia a V 45 che trasmette sostanzialmente uniformemente il calore alle pareti 25a e 25b della camera 25. In questa maniera le facce interne 55b delle celle ad effetto seebeck 55 sono ottimamente riscaldate, trovandosi tutte sostanzialmente alla stessa temperatura, preferibilmente attorno a 200°C. Ciascuna di esse inoltre gode di un riscaldamento uniforme grazie al fatto di aderire ottimamente alla rispettiva parete calda 25a o 25b della camera di combustione 25 grazie al serraggio esercitato dalla rispettiva piastra di compressione 58 indipendente dalle altre piastre 58 delle altre celle, come le tessere di un mosaico.

Le facce esterne delle celle seebeck 55 sono ottimamente raffreddate dal condotto di raffreddamento 65 grazie al fatto che il condotto preleva calore dalla piastra di compressione 58 per tutta la sua lunghezza.

In questa maniera è possibile mantenere le facce esterne 55a delle celle seebeck ad esempio sostanzialmente attorno a 80°C fornendo un delta termico ottimale per la produzione di energia elettrica.

Si ritiene che l'aspetto della distribuzione a mosaico delle unità seebeck raffreddate 70 e l'aspetto dei mezzi per l'irradiazione uniforme del calore 45 possano essere sfruttati anche uno indipendentemente dall'altro in un generatore termoelettrico, in tal caso ad esempio, la distribuzione a mosaico potrebbe essere adottata anche con camere di combustione di forma differente da quella illustrata.

Con riferimento alla vista da dietro di figura 5, è meglio visibile il collegamento tra l'uscita di aspirazione 43 e i primi mezzi di convogliamento 15 dei gas di combustione del generatore termoelettrico 5 allo scambiatore 10. I mezzi di convogliamento attraversano lo scambiatore 10, ad esempio sotto forma di una serpentina 86 di scambio termico (figura7) per scambiare calore con altri fluidi, e proseguono in un tratto 15b di convogliamento a mezzi di aspirazione forzata 72, realizzabili ad esempio con una pompa rotativa o una ventola.

Il generatore termoelettrico 5 comprende mezzi di alimentazione dell'aria 80 e mezzi di alimentazione di combustibile gassoso 84 non miscelato all'aria.

I mezzi di alimentazione del combustibile gassoso comprendono ad esempio un condotto e una elettrovalvola di consenso al passaggio da una bombola di stoccaggio alla camera di combustione 25.

L'aria è aspirata nella camera 25 in maniera indotta dai mezzi di aspirazione dei gas combusti. Sono assenti mezzi di iniezione forzata dell'aria nella camera.

I mezzi di alimentazione dell'aria 80 comprendono una apertura di accesso dell'aria alla camera di combustione di dimensioni variabili per mezzo di una valvola di strozzatura 82.

Il generatore termoelettrico 5 comprende inoltre una sonda di analisi dei gas combusti 74 e mezzi di determinazione dell'altezza su livello del mare 76 fissati al cogeneratore 1. Essi comunicano i parametri rilevati ad una centrale di elaborazione 78 programmata secondo fasce di funzionamento ottimale, ciascuna identificata da una combinazione di intervalli di valori di almeno un parametro dei gas combusti e dell'altezza sul livello del mare. La centrale di elaborazione è programmata per associare a ciascuna fascia di funzionamento ottimale una rispettiva posizione predeterminata della valvola di strozzatura dell'aria aspirata.

La centrale di elaborazione è programmata per comandare il posizionamento della valvola 82, o segnalare il posizionamento da selezionare manualmente.

La camera di combustione 25, dunque, riceve combustibile gassoso e aria non precedentemente miscelati tra loro, e in rapporto variato dall'azione della valvola di strozzatura 82, in base ai valori di altitudine sul livello del mare e di almeno un parametro di combustione. Questo aspetta permette di realizzare camere di combustione particolarmente piccole rispetto a quelle necessarie con una alimentazione di aria e combustibile premiscelati o con iniezione forzata dell'aria. Inoltre permette un funzionamento ottimale allo spostarsi del camper con a bordo il generatore.

Inoltre, la presenza del sistema di aspirazione permette di rendere il generatore sicuro contro eventuali fughe di gas, che sarebbero aspirate e convogliate allo scarico.

Infine, il generatore è vantaggiosamente adattabile a vari tipi di gas, in particolare sia al gpl che al metano, programmando la centrale di elaborazione 78 con una mappatura di valori di combustione del gas scelto da confrontare con quelli rilevati dalla sonda 74, e attraverso l'installazione di opportuni ugelli di erogazione.

In aggiunta o in alternativa alla gestione della combustione mediante comando dell’aspirazione di aria in base all’analisi dei gas di scarico con la relativa sonda 74, abbiamo verificato che anche una gestione mediante analisi della fiamma nella camera di combustione fornisce risultati utili.

È ad esempio possibile utilizzare una sonda di rilevamento di presenza della fiamma 190 nella camera di combustione 25 (figura 8). Tale sonda è ad esempio una sonda di analisi in grado di restituire almeno un parametro legato alle caratteristiche della fiamma.

Ad esempio la sonda 190 è una sonda di ionizzazione che sfrutta la presenza di ioni positivi sviluppati dalla combustione di idrogeno e ossigeno.

La sonda è generalmente composta da due elettrodi percorsi dalla fiamma, uno positivo e uno negativo, gli ioni prodotti dal calore della fiamma vengono attratti dall'elettrodo negativo ricco di elettroni e danno origine ad una debole corrente continua. La corrente è un parametro caratteristico della fiamma utilizzabile per derivare un comando di aspirazione dell’aria.

Misurando questa corrente è possibile determinare se la fiamma è accesa oppure no e si ha anche una prima efficace indicazione per la generazione eccessiva di CO2 (anidride carbonica) da utilizzare immediatamente per la correzione dei parametri della velocità di aspirazione (72) e/o della quantità di aria immessa in camera (82).

Si ritiene che l'aspetto della gestione della combustione mediante analisi dei gas di scarico, e/o della fiamma nella camera di combustione, e/o dell'altitudine e/ della pressione atmosferica possa essere sfruttato sia in combinazione che indipendentemente dagli altri aspetti dell'invenzione, potendo ad esempio essere applicato ad un qualsiasi generatore di calore a combustione. Esso dunque potrà essere utilizzato ad esempio in assenza di sezione triangolare della camera di combustione, di mezzi di irradiazione uniforme del calore 45 e di generazione elettrica a mezzo delle celle seebeck.

Con riferimento ora alle figure 7 e 8, lo scambiatore 10 comprende un serbatoio 85 pieno di fluido, in comunicazione con il circuito di raffreddamento 30 e con un circuito di riscaldamento ambientale di un veicolo 90 (figura 9) atto a riscaldare gli ambienti abitati. Tali comunicazioni avvengono rispettivamente attraverso le aperture 21 (figura 1) e 22 (figura 5). Il circuito di riscaldamento comprende ad esempio radiatori o convettori 99 (figura9).

Il fluido nel serbatoio 85 è il fluido preriscaldato dalla circolazione nel circuito di raffreddamento 30 e successivamente portato allo scambiatore 10 dai secondo mezzi di convogliamento 20. Il serbatoio 85 è preferibilmente di forma cilindrica. Come detto il fluido è preferibilmente una miscela di acqua e glicole.

Il serbatoio 85 contiene una prima serpentina 86 e una seconda serpentina 88 immerse nel fluido preriscaldato. Dette serpentine attraversano il serbatoio da rispettivi punti di ingressi a rispettivi punti di uscita, e preferibilmente hanno assi di sviluppo della spirale paralleli, preferibilmente coincidenti, all'asse di sviluppo del cilindro del serbatoio 85.

In generale le due serpentine 86 e 88 sono preferibilmente disposte con uno sviluppo della spirale secondo rispettivi assi coassiali, e una delle due si sviluppa con diametro degli avvolgimenti minore del diametro degli avvolgimenti dell'altra, così che gli avvolgimenti dell'una sono posti esternamente agli avvolgimenti dell'altra.

La prima serpentina 86 è attraversata di gas di scarico provenienti dalla camera di combustione 25. Essendo questi gas più caldi del fluido preriscaldato, quest'ultimo aumenta ulteriormente la sua temperatura. La serpentina 86 è preferibilmente operativamente interposta tra la camera di combustione 25 e la ventola di aspirazione dei gas di scarico 72.

La seconda serpentina 88 è attraversata da acqua, una serpentina per il riscaldamento istantaneo di acqua ad uso sanitario inviata ad un rispettivo circuito di erogazione 95.

In tale maniera il cogeneratore 1, il circuito di riscaldamento ambientale 90 e il circuito di erogazione di acqua sanitaria 95 definiscono un impianto di servizio 96 per le utenze elettriche, di riscaldamento e di acqua sanitaria per il veicolo, ad esempio il camper 100 di figura 9.

Si ritiene che lo scambiatore 10 possa essere sfruttato sia in combinazione che indipendentemente dagli altri spetti dell'invenzione, potendo ad esempio essere applicato ad un qualsiasi generatore di calore a combustione. Esso dunque potrà essere utilizzato ad esempio in assenza di sezione triangolare della camera di combustione, di mezzi di irradiazione uniforme del calore 45 e di generazione elettrica a mezzo delle celle seebeck, ed in assenza di un sistema di gestione della combustione mediante analisi dei gas di scarico e dell'altitudine.

All'interno del serbatoio 85, opzionalmente, sono immerse una o più resistenze elettriche 97 per il riscaldamento del fluido nel caso in cui il generatore termoelettrico 5 non sia in funzione. Le resistenze 97 sono dunque collegabili elettricamente ad una rete elettrica, mediante una presa di corrente.

In generale il cogeneratore 1 e l'impianto di servizi 96 realizzano il sogno di qualunque camperista, e cioè:

• Nessun problema di gelo del serbatoio di accumulo dell’acqua calda, essendo tra l'altro l'acqua calda sanitaria a generazione istantanea.

• Nessuna necessità di scarico di acqua sotto i 0°C

• Nessun consumo elettrico e anzi possibilità di produrre corrente in quantità superiore ai consumi.

Descriviamo qui di seguito un principio di funzionamento preferito e alcune opzioni preferibili di completamento dell'impianto di servizio 96. La centralina di controllo del cogeneratore è preferibilmente programmata per eseguire le seguenti funzioni.

All’avvio del cogeneratore 1, è preferibile eseguire una fase preliminare di lavaggio prima dell'accensione nella quale la camera di combustione 25 viene ventilata per garantire che non siano presenti residui di gas, per questa operazione viene normalmente utilizzata la stessa ventola di aspirazione 72 che richiamerà poi l’aria necessaria alla combustione.

Si procede infine con l’accensione:

una valvola elettromagnetica 84 apre il condotto di alimentazione del gas alla camera di combustione 25, dove viene acceso tramite una candeletta posizionata sul bruciatore 36. Un sensore controlla che la fiammella si sia accesa: se ciò non si verifica, l’afflusso di gas viene immediatamente interrotto. Una volta accesa, la fiamma si sviluppa all’interno della camera di combustione 25 portando il fluido contenuto nel serbatoio 85 del scambiatore 10 alla temperatura prestabilita (ad esempio una temperatura massima di 85°C). La temperatura nel serbatoio 85 è in generale controllata mediante sensori 150 (ad esempio uno o più termostati bipolari) collegati alla centralina di controllo del cogeneratore. Tale fluido è detto anche liquido di riscaldamento diretto ai convettori, o liquido di raffreddamento delle celle seebeck. I fumi di scarico sono aspirati dall’esterno dello scambiatore attraverso la ventola 72 mentre nuova aria fresca arriva al bruciatore mediante la valvola di strozzatura 82.

Se la temperatura del liquido di riscaldamento si abbassa, il cogeneratore si riaccende automaticamente, fornendo nuovo calore ai convettori: in questo modo, la temperatura del liquido di riscaldamento nel serbatorio 85 si mantiene costante, riducendo al minimo le variazioni di calore.

Grazie a ciò, anche l’acqua destinata all’utilizzo sanitario 95 si mantiene sempre calda.

Nel caso sia disponibile un allacciamento alla rete elettrica, il cogeneratore può essere alimentato a elettricità grazie alla presenza delle resistenze 97, posizionate all’interno del serbatoio 85. Preferibilmente è possibile scegliere la potenza erogata dalle resistenze tra 1, 2 o 3 kW a seconda della quantità di corrente disponibile. In più, le modalità riscaldamento gas/elettrico possono essere selezionate anche contemporaneamente, sfruttando al massimo il potere calorico del cogeneratore e utilizzando le resistenze elettriche al fine di ridurre i consumi di gas: in questo modo, infatti, si conferisce priorità al riscaldamento elettrico con il riscaldamento a gas pronto a intervenire in caso di necessità.

A titolo di esempio puramente indicativo, è possibile un dimensionamento adatto ai camper secondo cui se funzionante a gas propano, il cogeneratore è in grado di erogare una potenza massima di 5,5 kW, e 6.4 kW se funzionante a butano). A questo dato sono sommabili ad esempio 3 kW resi disponibili con il funzionamento elettrico che ne innalzano la resa massima a 8.5 kW (9.4 kW se a butano).

Secondo alcune forme di attuazione preferite, il liquido di riscaldamento è distribuito tramite una pompa di ricircolo, alimentata a 12v, o da una seconda pompa a 230v: se montata, questa è automaticamente preferita dal sistema (sempre e solo in caso di allacciamento alla rete elettrica). Il liquido di riscaldamento è fatto quindi circolare attraverso una rete di convettori 99 e aerotermi capaci di erogare ad esempio una potenza calorica di 400W/m.

La pompa di circolo è comandata da una sonda termostatica che misura la temperatura dell'ambiente da riscaldare: questa, a propria volta, lavora secondo quanto impostato tramite un apposito pannello di comando. Di conseguenza, nel momento in cui la temperatura rilevata dalla sonda scende al di sotto del valore desiderato, la pompa ed il cogeneratore si riattivano riscaldando nuovamente il liquido e facendolo circolare nuovamente all’in terno dell’impianto fino al raggiungimento della temperatura desiderata.

Un sistema di questo tipo, potrebbe alla lunga generare sacche d’aria all’interno dell’impianto: affinché questo non succeda, il riscaldatore è dotato di spurgo automatico: sono presenti inoltre numerose valvole di sfiato nei punti nevralgici dell’impianto per permetterne una rapida eliminazione.

La diffusione del calore avviene per convezione: i convettori 99, posizionati lateralmente lungo le pareti dell'ambiente da riscaldare, ad esempio il camper, dietro ai mobili appositamente provvisti di aerazioni, e, sempre più spesso, a pavimento, cedono calore riscaldando l’aria: una volta riscaldata questa tende a salire lungo le pareti spingendo, al centro del veicolo e verso il basso, l’aria più fredda. Questa, incontrando gli aerotermi, si riscalda nuovamente ripetendo all’infinito questo ciclo.

I convettori sfruttano una miscela comprendente preferibilmente una miscela approssimativamente nelle seguenti proporzioni: acqua (60%) e glicole (40%).

Il riscaldatore può essere avviato secondo una modalità estiva per il solo riscaldamento acqua calda sanitaria mediante un apposito selettore 120.

Altri accessori e componenti aggiuntivi:

Il riscaldatore è abbinato ad un pannello di comando LCD touch screen 140 che è dotato di termostato elettronico e fornisce numerose indicazioni sia sul funzionamento che sulla eventuale manutenzione oltre, ovviamente, a consentire la completa programmazione dell’impianto.

INTERPRETAZIONE GENERALE DEI TERMINI

Nel comprendere lo scopo della presente invenzione, il termine "comprendente" e i suoi derivati, come qui usati, sono intesi come termini a terminazione aperta che specificano la presenza delle caratteristiche dichiarate, elementi, componenti, gruppi, numeri interi e / o fasi , ma non escludono la presenza di altre caratteristiche, elementi, componenti, gruppi, numeri interi e / o fasi non dichiarati. Quanto sopra si applica anche alle parole che hanno significati simili come i termini "compreso", "avere" e i loro derivati. Inoltre, i termini "parte", "sezione", "porzione", "membro" o "elemento" quando usati nel singolare possono avere il duplice significato di una singola parte o di una pluralità di parti. Come qui utilizzato per descrivere la forma / le forme di attuazione sopra, i seguenti termini direzionali "avanti", "indietro", "sopra", "in basso", "verticale", "orizzontale", "sotto" e "trasversale", nonché qualsiasi altro termine direzionale simile si riferisce alla forma di attuazione descritta in posizione operativa. Infine, termini di grado come "sostanzialmente", "circa" e "approssimativamente" come qui usati significano una ragionevole quantità di deviazione del termine modificato in modo tale che il risultato finale non sia significativamente cambiato.

Mentre sono state scelte solo forme di realizzazione selezionate per illustrare la presente invenzione, sarà chiaro agli esperti del ramo da questa descrizione che varie modifiche e varianti possono essere apportate senza allontanarsi dall'ambito dell'invenzione come definito nel rivendicazioni allegate. Ad esempio, le dimensioni, la forma, la posizione o l'orientamento dei vari componenti possono essere modificati secondo necessità e / o desideri. I componenti mostrati direttamente collegati o in contatto tra loro possono avere strutture intermedie disposte tra di loro. Le funzioni di un elemento possono essere eseguite da due e viceversa. Le strutture e le funzioni di una forma di realizzazione possono essere adottate in un'altra forma di realizzazione. Non è necessario che tutti i vantaggi siano presenti in una particolare forma di realizzazione allo stesso tempo. Ogni caratteristica che è originale comparata alla tecnica nota, da sola o in combinazione con altre caratteristiche, dovrebbe anche essere considerata una descrizione separata di ulteriori invenzioni da parte del richiedente, compresi i concetti strutturali e / o funzionali incorporati da tali caratteristiche. Pertanto, le precedenti descrizioni delle forme di realizzazione secondo la presente invenzione sono fornite solo a scopo illustrativo e non allo scopo di limitare l'invenzione come definita dalle rivendicazioni allegate e dai loro equivalenti.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Generatore termoelettrico comprendente una camera di combustione (25) almeno parzialmente rivestita esternamente da una pluralità di celle seebeck (70) disposte a tessere di mosaico fissate alla camera una indipendentemente dall'altra.
2. 2. Generatore termoelettrico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che dette celle seebeck sono ciascuna parte di una rispettiva unità seebeck raffreddata.
3. 3. Generatore termoelettrico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che ciascuna unità comprende una piastra di compressione (58) per serrare una cella seebeck (55) su una relativa parete (25a, 25b) della camera di combustione (25), dove detta piastra definisce mezzi di supporto (62) almeno parziale di un circuito di raffreddamento (30) su un lato (58b) opposto ad un lato (58a) di contatto con la cella seebeck (55).
4. 4. Generatore termoelettrico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che ciascuna unità comprende una seconda piastra (60) accoppiata alla piastra di compressione (58) per definire tra loro una sede di alloggiamento e supporto (62) di un condotto (65) del circuito di raffreddamento (30).
5. 5. Generatore termoelettrico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta sede di alloggiamento e supporto (62) ha una superficie di contatto con detto condotto estesa nella direzione longitudinale del condotto quanto l'estensione (L1) in tale direzione della piastra di compressione (58).
6. 6. Generatore termoelettrico comprendente una camera di combustione (25) che alloggia al suo interno mezzi di schermatura e irradiazione (45) per schermare dal calore diretto proveniente dalla fiamma di combustione almeno una parete della camera sul cui lato esterno sono fissati una pluralità di mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70), e irradiarla con un calore sostanzialmente uniformemente distribuito, dove detta pluralità di mezzi di generazione comprende preferibilmente una pluralità di celle ad effetto seebeck poste a rivestire detta parete.
7. 7. Generatore termoelettrico secondo la rivendicazione 6 comprendente una camera di combustione (25) sostanzialmente prismatica a sezione sostanzialmente triangolare: • la camera comprende due pareti (25a e 25b) del prisma triangolare (25) convergenti verso l'alto, almeno una rivestita esternamente alla camera da mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70); • la camera di combustione alloggia al suo interno mezzi di generazione di fiamma (36) in prossimità o in corrispondenza del lato inferiore del prisma; • la camera di combustione alloggia al suo interno mezzi di schermatura e l'irradiazione (45) per schermare dette pareti convergenti verso l'alto (25a, 25b) dal calore diretto proveniente da detta fiamma e irradiarli con un calore sostanzialmente uniformemente distribuito.
8. 8. Generatore termoelettrico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che i mezzi di generazione di energia elettrica ad effetto seebeck (55, 70) rivestono uniformemente entrambe dette pareti convergenti verso l'alto (25a e 25b).
9. 9. Generatore termoelettrico secondo la una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 8, caratterizzato dal fatto che • le pareti della camera di combustione (25a e 25b) rivestite dai mezzi di generazione di corrente elettrica a effetto seebeck (55, 70) sono rivestire almeno parzialmente, preferibilmente uniformemente, da mezzi di raffreddamento (30), dove detti mezzi di generazione seebeck (55, 70) sono operativamente interposti tra dette pareti (25a, 25b) e detti mezzi di raffreddamento (30).
10. 10. Generatore termoelettrico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che i mezzi di generazione seebeck comprendono una pluralità di unità seebeck raffreddate dai mezzi di raffreddamento, fissate una indipendentemente dall'altra a dette pareti (25a, 25b) a rivestirle a mosaico.
11. 11. Generatore termoelettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i mezzi di schermatura e irradiazione uniforme del calore (45) comprendono una flangia di sezione a V, interposta tra i mezzi di generazione di fiamma e dette pareti della camera di combustione convergenti verso l'alto, orientata con la cuspide (46) come la cuspide (38) formata da dette pareti (25a, 25b).
12. 12. Generatore termoelettrico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la flangia (45) si estende sostanzialmente per tutta la lunghezza L della camera (25) in direzione ortogonale alla sezione triangolare, dove preferibilmente anche i mezzi di generazione di fiamma (36) hanno la medesima lunghezza.
13. 13. Generatore termoelettrico secondo la rivendicazione 11 o 12, caratterizzato dal fatto che la flangia (45) comprende una o più aperture (48) su entrambi i lati della v disposte nelle zone a calore minore, ad esempio in posizione prossimale alla cuspide (46), per permettere un passaggio maggiore di calore dalla fiamma alle parti alte delle pareti (25a e 25b) della camera di combustione.
14. 14. Generatore termoelettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che è un generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 13.