PL224629B1

PL224629B1 - Thermo-electric electric current generator

Info

Publication number: PL224629B1
Application number: PL408272A
Authority: PL
Inventors: Wojciech Grzesiak; Piotr Guzdek; Piotr Maćków; Jacek Piekarski; Krzysztof Witek
Original assignee: Inst Tech Elektronowej
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2017-01-31
Also published as: PL408272A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest termoelektryczny generator prądu, wykorzystujący ciepło odpadowe, przeznaczony do zasilania w energię elektryczną urządzeń sterujących pracą pieca centralnego ogrzewania indywidualnych gospodarstw domowych. Termoelektryczny generator prądu ma kolektor ciepła spalin wylotowych (1) w kształcie zbliżonym do wydrążonego graniastosłupa posiadającego cylindryczną powierzchnię wewnętrzną, natomiast powierzchnia zewnętrzna jest wielościanem foremnym posiadającym co najmniej sześć płaskich ścian bocznych, do których dołączono płytkowe stosy termoelektryczne (3), przy czym, każdy płytkowy stos termoelektryczny jest połączony radiatorem (5) za pośrednictwem płaskiego ciepłowodu (4).The subject of the invention is a thermoelectric power generator using waste heat, designed to supply electricity to devices controlling the operation of a central heating furnace for individual households. The thermoelectric power generator has an exhaust gas heat collector (1) in the shape similar to a hollow prism with a cylindrical inner surface, while the outer surface is a regular polyhedron with at least six flat side walls to which plate thermoelectric stacks (3) are attached, each the lamellar thermopile is connected by a heat sink (5) via a flat heat pipe (4).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest termoelektryczny generator prądu, wykorzystujący ciepło odpadowe, przeznaczony do zasilania w energię elektryczną urządzeń sterujących pracą pieca centralnego ogrzewania indywidualnych gospodarstw domowych. Zastosowanie własnego generatora termoelektrycznego umożliwia uniezależnienie się od zewnętrznego źródła zasilania w energię elektryczną, co zapewnia niezawodną pracę urządzenia grzewczego niezależnie od dostaw energii elektrycznej. Termoelektryczne generatory prądu wykorzystujące efekt Seebecka umożliwiają bezpośrednią konwersję energii cieplnej na energię elektryczną. Chociaż sprawność procesu konwersji energii cieplnej na energię elektryczną jest niewielka (poniżej 5%), to generatory tego typu są coraz częściej stosowane, ponieważ pozwalają na wygodne zasilanie w energię urządzeń o małym poborze mocy, bez konieczności dodatkowego okablowania. Współczesne termogeneratory wykonuje się w oparciu materiały półprzewodnikowe (e. g. tellurek bizmutu, który w zależności od wprowadzonych domieszek antymonu lub selenu wykazuje przewodnictwo typu „p” lub typu „n”). Efektywność procesu konwersji jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy stroną ciepłą a stroną zimną i jest określona zależnością:The subject of the invention is a thermoelectric power generator using waste heat, intended to supply electricity to devices controlling the operation of central heating furnaces in individual households. The use of your own thermoelectric generator allows you to become independent from an external source of electricity, which ensures reliable operation of the heating device regardless of electricity supply. Thermoelectric power generators using the Seebeck effect enable the direct conversion of thermal energy into electricity. Although the efficiency of the process of converting thermal energy into electricity is low (less than 5%), generators of this type are increasingly used because they allow for convenient power supply to devices with low power consumption, without the need for additional wiring. Modern thermogenerators are made on the basis of semiconductor materials (e. G. Bismuth telluride, which, depending on the added antimony or selenium admixtures, has a "p" or "n" type conductivity). The efficiency of the conversion process is directly proportional to the temperature difference between the hot side and the cold side and is determined by the relationship:

ZT = S²xTxa/k gdzie: S - współczynnik Seebecka, T - różnica temperatur pomiędzy stroną ciepłą a stroną zimną, σ - przewodność elektryczna materiału, k - przewodność cieplna materiału.ZT = S ² xTxa / k where: S - Seebeck coefficient, T - temperature difference between the hot side and the cold side, σ - material electrical conductivity, k - material thermal conductivity.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr US8674530B2 znany jest pasywnie chłodzony generator termoelektryczny. Jest to urządzenie przenośne które może być wykorzystane jako campingowy generator prądu. Urządzenie zawiera płytkowy generator termoelektryczny, który połączony jest z jednej strony z podstawą pojemnika, natomiast z drugiej strony połączony jest z metalową płytą p osiadającą bezpośredni kontakt ze źródłem ciepła. Źródłem ciepła może być płomień procesu spalania paliwa płynnego (e. g. alkoholu) lub biomasy, natomiast chłodzenie termogeneratora realizuje się poprzez absorpcję ciepła parowania cieczy znajdującej się w pojemniku. Czynnikiem absorbującym ciepło może być przykładowo woda, co gwarantuje, że temperatura zimnej strony stosu termoelementów nie przekroczy znacząco 100°C. Umieszczony w szczelinie pomiędzy podstawą pojemnika, a płytą metalową stos termoelektryczny został zabezpieczony przed czynnikami środowiskowymi za pośrednictwem obwodowej uszczelki odpornej na wysoką temperaturę. W celu zminimalizowania mostków cieplnych, pomiędzy metalową płytą a podstawą pojemnika, zastosowano łączniki o małej przewodności cieplnej.US8674530B2 discloses a passively cooled thermoelectric generator. It is a portable device that can be used as a camping power generator. The device comprises a plate-type thermoelectric generator, which is connected on one side to the base of the container, and on the other side it is connected to a metal plate in direct contact with the heat source. The heat source may be the flame of the liquid fuel (e.g. alcohol) or biomass combustion process, while the cooling of the thermogenerator is achieved by absorbing the heat of vaporization of the liquid in the container. The heat absorbing agent may be, for example, water, which ensures that the temperature of the cold side of the thermocouple stack does not significantly exceed 100 ° C. Placed in the gap between the base of the container and the metal plate, the thermoelectric stack has been protected against environmental factors by a peripheral seal resistant to high temperature. In order to minimize thermal bridges between the metal plate and the base of the container, low thermal conductivity fasteners were used.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr US8101846B1 znany jest termoelektryczny generator mocy elektrycznej, w którym zastosowano półprzewodnikowe płytki wykonane z tellurku antymonu oraz tellurku bizmutu, które zostały ułożone szeregowo i naprzemiennie wzdłuż pierścienia, gdzie pomiędzy płytkami tellurku antymonu oraz tellurku bizmutu umiejscowiono, naprzemiennie, metalowe listwy doprowadzające ciepło i metalowe listwy odprowadzające ciepło. Przy czym listwy doprowadzające ciepło są usytuowane radialnie w kierunku centrum pierścienia a ich końce są ogrzewane skoncentrowanym strumieniem energii słonecznej, natomiast listwy odprowadzające ciepło są usytuowane ortogonalnie w stosunku do płaszczyzny pierścienia. Ponieważ są rozmieszczone wzdłuż zewnętrznej powierzchni walcowej są one schładzane strumieniem powietrza opływającym zewnętrzną powierzchnię generatora.US8101846B1 describes a thermoelectric electric power generator, which uses semiconductor plates made of antimony telluride and bismuth telluride, which were arranged in series and alternately along the ring, where alternating metal strips were placed between the plates of antimony telluride and bismuth telluride. heat and metal heat dissipation strips. The heat supply strips are arranged radially towards the center of the ring and their ends are heated by a concentrated stream of solar energy, while the heat removing strips are arranged orthogonally with respect to the plane of the ring. As they are arranged along the outer cylindrical surface, they are cooled by a stream of air flowing over the outer surface of the generator.

Urządzenia grzewcze winne zapewniać ciągłą dostawę ciepła do obiektów mieszkalnych, z tego też względu, korzystnie, winne być również niezależne od innych źródeł zasilania, w tym również od zewnętrznych źródeł energii elektrycznej. Urządzenie według wynalazku zapewnia niezawodną dostawę niezbędnej energii wymaganej dla procesu sterowania pieca grzewczego centralnego ogrzewania.Heating devices should ensure a continuous supply of heat to residential buildings, therefore, preferably, they should also be independent of other power sources, including external sources of electricity. The device according to the invention ensures a reliable supply of the necessary energy required for the control process of the central heating furnace.

Istotą wynalazku jest termoelektryczny generator prądu, który ma kolektor ciepła spalin wylotowych w kształcie zbliżonym do wydrążonego graniastosłupa posiadającego cylindryczną powierzchnię wewnętrzną, natomiast powierzchnia zewnętrzna jest wielościanem foremnym posiadającym co najmniej sześć płaskich ścian bocznych, do których dołączono płytkowe stosy termoelektryczne, przy czym, każdy płytkowy stos termoelektryczny jest połączony za pośrednictwem płaskiego ciepłowodu z radiatorem stanowiącym rozpraszacz ciepła.The essence of the invention is a thermoelectric power generator, which has an exhaust gas heat collector in the shape similar to a hollow prism having a cylindrical inner surface, while the outer surface is a regular polyhedron with at least six flat side walls to which plate thermoelectric stacks are attached, each plate-shaped the thermoelectric stack is connected via a flat heat pipe to a heat sink that acts as a heat spreader.

W odmianie drugiej termoelektryczny generator prądu ma kolektor ciepła spalin wylotowych w kształcie zbliżonym do wydrążonego graniastosłupa posiadającego cylindryczną powierzchnię wewnętrzną natomiast powierzchnia zewnętrzna jest wielościanem foremnym posiadającym co najmniejIn the second variant, the thermoelectric power generator has an exhaust gas heat collector with a shape similar to a hollow prism having a cylindrical inner surface, while the outer surface is a regular polyhedron having at least

PL 224 629 B1 sześć płaskich ścian bocznych, do których dołączono płytkowe stosy termoelektryczne, przy czym każdy płytkowy stos termoelektryczny połączony jest za pośrednictwem płaskiego ciepłowodu z absorberem ciepła schładzanym cieczą.There are six planar side walls to which are attached plate-shaped thermoelectric stacks, each plate-shaped thermoelectric stack being connected via a planar heat pipe to a liquid-cooled heat absorber.

Kolektor ciepła spalin wylotowych ma w centralnej części umieszczony kształtownik strumienia spalin w formie fragmentu elipsoidy.The exhaust gas heat collector has an ellipsoid fragment in the central part of the exhaust gas stream.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny termoelektrycznego generatora prądu, Fig. 2 przedstawia wykonanie termogeneratora w odmianie drugiej, natomiast Fig. 3 przedstawia wykonanie termoelektrycznego generatora prądu w odmianie drugiej, w której zastosowano cieczowe chłodzenie stosów termoelektrycznych.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a cross-section of a thermoelectric current generator, Fig. 2 shows an embodiment of a thermogenerator in the second version, and Fig. 3 shows an embodiment of a thermoelectric current generator in the second version, in which liquid cooling of the stacks is used. thermoelectric.

Termoelektryczny generator prądu według wynalazku ma kolektor ciepła spalin wylotowych 1 wykonany z metalu odpornego na korozję w podwyższonej temperaturze. Kolektor ciepła spalin wylotowych 1 ma sześć płaskich ścian bocznych 2, które posiadają bezpośredni kontakt cieplny z płytkowymi stosami termoelektrycznymi 3. Każdy płytkowy stos termoelektryczny 3 jest dociśnięty do płaskiej ściany bocznej 2 poprzez końcowy fragment ciepłowodu 4, na przykład za pośrednictwem elastycznej belki dociskowej. Każdy płaski ciepłowód 4 o długości ok. 25 cm ma drugi koniec połączony z radiatorem 5. Wyprowadzenia elektryczne stosów termoelektrycznych 3 połączone są szeregowo i dołączone do konwertera DC/DC dokonującego transformacji i stabilizacji napięcia. W celu poprawy wymiany ciepła pomiędzy strumieniem gorących spalin wylotowych a kolektorem ciepła spalin wylot owych 1 w centralnej części kolektora spalin wylotowych umieszczono kształtownik strumienia spalin 7 w formie fragmentu elipsoidy, zadaniem którego jest zwiększenie natężenia przepływu gorących spalin wylotowych w pobliżu wewnętrznej cylindrycznej ścianki kolektora ciepła spalin wylotowych 1, jak również nakierowanie centralnego strumienia spalin o najwyższej temperaturze w pobliże ścianek kolektora spalin wylotowych 1.The thermoelectric power generator according to the invention has an exhaust gas heat collector 1 made of a metal resistant to corrosion at elevated temperature. The exhaust gas heat collector 1 has six flat side walls 2 which are in direct thermal contact with plate thermoelectric stacks 3. Each plate thermoelectric stack 3 is pressed against the flat side wall 2 through an end piece of heat pipe 4, for example via a flexible pressure beam. Each flat heat pipe 4, approx. 25 cm long, has a second end connected to a heat sink 5. The electric leads of the thermoelectric stacks 3 are connected in series and connected to a DC / DC converter which transforms and stabilizes the voltage. In order to improve the heat exchange between the hot exhaust gas stream and the exhaust gas heat collector 1, in the central part of the exhaust gas collector, an ellipsoid fragment of the exhaust gas stream 7 is placed, the task of which is to increase the flow rate of hot exhaust gas near the inner cylindrical wall of the exhaust gas heat collector. outlet 1, as well as directing the central flow of the highest temperature exhaust gas near the walls of the exhaust collector 1.

W odmianie drugiej termoelektrycznego generatora prądu do schładzania stosów termoelektrycznych 3 wykorzystuje się schłodzony powrotny strumień medium służącego do transferu ciepła. W tym celu termoelektryczny generator prądu wyposażono w rurowy pierścieniowy absorber ciepła 6 otaczający korpus kolektora spalin 1 oraz zainstalowane na jego obwodzie stosy termoelektryczne 3. Płaskie elastyczne ciepłowody 4 zapewniają niezawodny transfer ciepła pomiędzy stosami termoelektrycznymi 3, a pierścieniowym absorberem ciepła 6 i jednocześnie zabezpieczają przed obecnością silnych naprężeń mechanicznych w strukturach stosów termoelektrycznych.In a second version of the thermoelectric current generator, the cooled return stream of the heat transfer medium is used to cool the thermoelectric stacks 3. For this purpose, the thermoelectric power generator is equipped with a tubular annular heat absorber 6 surrounding the body of the exhaust gas collector 1 and thermoelectric stacks 3 installed on its periphery. Flat flexible heat pipes 4 ensure reliable heat transfer between the thermoelectric stacks 3 and the annular heat absorber 6 and at the same time protect against the presence of strong mechanical stresses in the structures of thermoelectric stacks.

W odmianie drugiej, możliwe jest wykonanie oszczędne poprzez zastosowanie pakietu miedzianych folii zamiast ciepłowodów cieczowych.In the second variant, it is possible to implement economical by using a copper foil packet instead of liquid heat pipes.

Do pierścieniowego absorbera ciepła 6 wprowadza się część schłodzonego powrotnego strumienia medium rozprowadzającego ciepło.Part of the cooled recycle stream of the heat-distributing medium is introduced into the annular heat absorber 6.

Claims

1. Thermoelectric power generator built on the basis of plate thermoelectric stacks, characterized by the exhaust gas heat collector (1) in a shape similar to a hollow prism with a cylindrical inner surface, while the outer surface is a regular polyhedron with at least six flat side walls (2) to which are attached plate thermoelectric stacks (3), each plate thermoelectric stack being connected via a flat heat pipe (4) to a heat sink (5) acting as a heat spreader.

2. Thermoelectric power generator, characterized in that it has an exhaust gas heat collector (1) in a shape similar to a hollow prism having a cylindrical inner surface, while the outer surface is a regular polyhedron with at least six flat side walls (2) to which are attached plate thermoelectric stacks (3), each plate thermoelectric stack (3) being connected via a flat heat pipe (4) to a heat absorber (6) cooled by a liquid.

3. Thermoelectric power generator according to claim 1, 1 or claim The exhaust gas heat collector (1) has a central part of the exhaust gas stream shaper (7) in the form of an ellipsoid.