RU148721U1

RU148721U1 - THERMOELECTRIC ENERGY PRODUCTION SYSTEM

Info

Publication number: RU148721U1
Application number: RU2014108716/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Андреевич Андреев; Евгений Валерьевич Ходус; Александр Викторович Ельцов
Original assignee: Сергей Андреевич Андреев
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-12-10

Abstract

Термоэлектрическая система производства энергии, содержащая два термоэлектрических элемента, соединенных в общую электрическую цепь, отличающаяся тем, что она установлена на неподвижной раме и дополнительно снабжена вертикальным валом с соосно размещенной на нем шестеренкой и жестко соединенными с ним двумя расходящимися под острым углом направляющими элементами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вертикального вала, двумя штоками, установленными в направляющих элементах с возможностью продольного перемещения, при этом сходящиеся концы штоков посредством нанесенных на их поверхности зубьев находятся в зацеплении с шестеренкой на противоположных сторонах от ее оси, а расходящиеся концы штоков через пружины соединены с биметаллическими термочувствительными устройствами, расположенными на нижних сторонах термоэлектрических элементов, расходящиеся концы направляющих элементов соединены металлической лентой, расположенной по дуге окружности с центром, находящимся на оси вертикального вала, на внешней стороне металлической ленты размещена продольная направляющая бороздка с двумя углублениями, находящимися в местах соединения металлической ленты с направляющими элементами, а в продольной направляющей бороздке размещен шарик, подпираемый опорной пружиной, установленной на неподвижной раме.A thermoelectric energy production system containing two thermoelectric elements connected in a common electric circuit, characterized in that it is mounted on a fixed frame and is additionally equipped with a vertical shaft with a gear coaxially placed on it and two guide elements rigidly diverging at an acute angle located in a plane perpendicular to the axis of the vertical shaft, two rods installed in the guide elements with the possibility of longitudinal movement, when the converging ends of the rods, by means of the teeth applied on their surface, are engaged with the gear on opposite sides of its axis, and the diverging ends of the rods through springs are connected to bimetallic thermosensitive devices located on the lower sides of the thermoelectric elements, the diverging ends of the guide elements are connected by a metal tape located along a circular arc with a center located on the axis of the vertical shaft, on the outer side of the metal strip is placed a longitudinal Naya guide groove with two recesses located in the areas of the metal strip connected to the guide elements, and in a longitudinal guide groove disposed bead underlaid support spring installed on the fixed frame.

Description

Термоэлектрическая система производства энергии относится к области прямого преобразования тепловой энергии (газовых горелок, примусов, костров и т.д.) в электрическую и может быть использована для автономного электроснабжения небольших потребителей.Thermoelectric energy production system refers to the field of direct conversion of thermal energy (gas burners, stoves, bonfires, etc.) into electrical energy and can be used for autonomous power supply of small consumers.

Известна термоэлектрическая система производства энергии, состоящая из множества (в частности - двух) термоэлектрических элементов, соединенных в общую электрическую цепь (см. патент на изобретение РФ №2353047, МПК H02N 11/00, опубл. 20.04.2009).Known thermoelectric energy production system, consisting of many (in particular - two) thermoelectric elements connected to a common electrical circuit (see patent for the invention of the Russian Federation No. 2353047, IPC H02N 11/00, publ. 04/20/2009).

Недостатком такой термоэлектрической системы производства энергии является недостаточная эффективность ее работы через некоторое время после включения вследствие постепенного прогрева обеих сторон термоэлектрических элементов из-за наличия теплопроводности материалов. В то же время принудительное охлаждение одной из сторон термоэлектрических элементов за счет повышения поверхности соприкосновения с окружающей средой (например, оребрения), естественной или искусственной вентиляции, а также обеспечения теплообмена с охлаждающими жидкостями малоэффективно, ненадежно или энергоемко.The disadvantage of such a thermoelectric energy production system is the insufficient efficiency of its operation some time after switching on due to the gradual heating of both sides of the thermoelectric elements due to the presence of thermal conductivity of the materials. At the same time, forced cooling of one of the sides of thermoelectric elements by increasing the surface of contact with the environment (for example, fins), natural or artificial ventilation, as well as providing heat exchange with coolants is inefficient, unreliable or energy intensive.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы термоэлектрической системы производства энергии за счет поочередного нагрева и охлаждения двух термоэлектрических элементов. При этом нагрев термоэлектрических элементов осуществляется принудительно, от источника теплоты, а охлаждение - естественным образом. Чередование нагрева и охлаждения термоэлектрических элементов достигается посредством изменения их положения в пространстве. Перемещение термоэлектрических элементов производится под действием механического усилия, развиваемого биметаллическими термочувствительными устройствами. При этом биметаллические термочувствительные устройства используют энергию источника теплоты.The technical result of the proposed utility model is to increase the efficiency of a thermoelectric energy production system by alternately heating and cooling two thermoelectric elements. In this case, the heating of thermoelectric elements is carried out forcibly, from a heat source, and cooling - in a natural way. The alternation of heating and cooling of thermoelectric elements is achieved by changing their position in space. The movement of thermoelectric elements is carried out under the action of mechanical force developed by bimetallic thermosensitive devices. In this case, bimetallic thermosensitive devices use the energy of a heat source.

Такой технический результат достигается тем, что термоэлектрическая система производства энергии, содержащая два термоэлектрических элемента, соединенных в общую электрическую цепь, установлена на неподвижной раме и дополнительно снабжена вертикальным валом с соосно размещенной на нем шестеренкой и жестко соединенными с ним двумя расходящимися под острым углом направляющими элементами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вертикального вала, двумя штоками, установленными в направляющих элементах с возможностью продольного перемещения, при этом сходящиеся концы штоков посредством нанесенных на их поверхности зубьев находятся в зацеплении с шестеренкой на противоположных сторонах от ее оси, а расходящиеся концы штоков через пружины соединены с биметаллическими термочувствительными устройствами, расположенными на нижних сторонах термоэлектрических элементов, расходящиеся концы направляющих элементов соединены металлической лентой, расположенной по дуге окружности с центом, находящимся на оси вертикального вала, на внешней стороне металлической ленты размещена продольная направляющая бороздка с двумя углублениями, находящимися в местах соединения металлической ленты с направляющими элементами, а в продольной направляющей бороздке размещен шарик, подпираемый опорной пружиной, установленной на неподвижной раме.This technical result is achieved in that the thermoelectric energy production system containing two thermoelectric elements connected to a common electrical circuit is mounted on a fixed frame and is additionally equipped with a vertical shaft with a gear coaxially mounted on it and two guide elements diverging rigidly at an acute angle located in a plane perpendicular to the axis of the vertical shaft, two rods installed in the guide elements with the possibility of longitudinal movement, while the converging ends of the rods by means of teeth deposited on their surface are engaged with the gear on opposite sides of its axis, and the diverging ends of the rods through springs are connected to bimetallic thermosensitive devices located on the lower sides of the thermoelectric elements, the diverging ends of the guide elements are connected a metal tape located along an arc of a circle with a cent located on the axis of the vertical shaft on the outside of the metal cients positioned longitudinal groove with two guide grooves located in the ground connection to the metallic tape guide elements, and in a longitudinal guide groove disposed bead underlaid support spring installed on the fixed frame.

На фиг. 1 представлен общий вид термоэлектрической системы производства энергии, на фиг. 2 - вид на нее сверху и на фиг. 3 - вид металлической ленты с продольной направляющей бороздкой и углублениями.In FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric power generation system; FIG. 2 is a top view of it and in FIG. 3 is a view of a metal strip with a longitudinal guide groove and recesses.

Термоэлектрическая система производства энергии содержит два термоэлектрических элемента 1, соединенных в общую электрическую цепь 2. Термоэлектрические элементы 1 собраны из набора термопар и представляют собой плоские пластины. При этом соединение термоэлектрических элементов 1 может быть как последовательным, так и параллельным. Термоэлектрическая система производства энергии установлена на неподвижной раме 3, которая может быть выполнена, например, из металлических уголков или полос. Термоэлектрические элементы 1 размещены на направляющих элементах 4, представляющих собой, например, конструкции из двух параллельных стержней из твердого материала. Направляющие элементы 4 расположены под острым углом друг к другу и жестко соединены с вертикальным валом 5. Направляющие элементы 4 находятся в плоскости, перпендикулярной вертикальному валу 5.A thermoelectric energy production system contains two thermoelectric elements 1 connected to a common electric circuit 2. Thermoelectric elements 1 are assembled from a set of thermocouples and are flat plates. Moreover, the connection of thermoelectric elements 1 can be either sequential or parallel. The thermoelectric energy production system is mounted on a fixed frame 3, which can be made, for example, from metal corners or strips. Thermoelectric elements 1 are placed on the guide elements 4, which are, for example, structures of two parallel rods of solid material. The guide elements 4 are located at an acute angle to each other and are rigidly connected to the vertical shaft 5. The guide elements 4 are in a plane perpendicular to the vertical shaft 5.

На вертикальном валу 5, соосно с ним, размещена шестеренка 6. В направляющих элементах 4 установлены штоки 7 с возможностью продольного перемещения. На поверхности сходящихся концов штоков 7 нанесены зубья 8, находящиеся в зацеплении с шестеренкой 6 на противоположных сторонах от ее оси. Расходящиеся концы штоков 7 через пружины 9 соединены с биметаллическими термочувствительными устройствами 10. Пружины 9 также установлены в направляющих элементах 4, а биметаллические термочувствительные устройства 10 расположены на нижних сторонах термоэлектрических элементов 1.A gear 6 is placed on a vertical shaft 5, coaxially with it. In the guide elements 4, rods 7 are mounted with the possibility of longitudinal movement. On the surface of the converging ends of the rods 7 applied teeth 8, which are meshed with the gear 6 on opposite sides of its axis. The diverging ends of the rods 7 through the springs 9 are connected to bimetallic thermosensitive devices 10. The springs 9 are also installed in the guide elements 4, and the bimetallic thermosensitive devices 10 are located on the lower sides of the thermoelectric elements 1.

Расходящиеся концы направляющих элементов 4 соединены металлической лентой 11, расположенной по дуге окружности с центром, находящимся на оси вертикального вала 5. На внешней стороне металлической ленты 11 размещена продольная направляющая бороздка 12. На продольной направляющей бороздке 12, в местах соединения металлической ленты 11 с направляющими элементами 4, имеются углубления 13.The diverging ends of the guide elements 4 are connected by a metal tape 11 located along an arc of a circle with a center located on the axis of the vertical shaft 5. On the outside of the metal tape 11 there is a longitudinal guide groove 12. On the longitudinal guide groove 12, at the junction of the metal tape 11 with the guides elements 4, there are recesses 13.

В продольной направляющей бороздке 12 размещен шарик 14, подпираемый опорной пружиной 15. Опорная пружина 15 установлена на неподвижной раме 3.In the longitudinal guide groove 12, a ball 14 is placed, supported by a support spring 15. The support spring 15 is mounted on a fixed frame 3.

Термоэлектрическая система производства энергии работает следующим образом. Источник теплоты помещается в нижней части термоэлектрической системы производства энергии, под одним из термоэлектрических элементов 1. При этом происходит нагрев нижней стороны термоэлектрического элемента 1 и охлаждение его верхней стороны. В соответствии с явлением Зеебека термоэлектрический элемент 1 преобразует часть подводимой тепловой энергии в электрическую энергию, что сопровождается появлением электрического напряжения на клеммах термоэлектрического элемента 1. Полученная электрическая энергия по общей электрической цепи 2 отводится к потребителю.Thermoelectric energy production system operates as follows. The heat source is placed in the lower part of the thermoelectric energy production system, under one of the thermoelectric elements 1. In this case, the lower side of the thermoelectric element 1 is heated and its upper side is cooled. In accordance with the Seebeck phenomenon, the thermoelectric element 1 converts a part of the supplied thermal energy into electrical energy, which is accompanied by the appearance of an electric voltage at the terminals of the thermoelectric element 1. The obtained electric energy is transferred to the consumer through a common electric circuit 2.

По мере сообщения теплоты термоэлектрическому элементу 1 за счет его внутренней теплопроводности верхняя сторона термоэлектрического элемента 1 нагревается. Разность температур между нижней и верхней сторонами термоэлектрического элемента 1 уменьшается и эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую снижается.As the heat is communicated to the thermoelectric element 1 due to its internal thermal conductivity, the upper side of the thermoelectric element 1 is heated. The temperature difference between the lower and upper sides of the thermoelectric element 1 is reduced and the efficiency of conversion of thermal energy into electrical energy is reduced.

Одновременно с нагревом термоэлемента 1 происходит нагрев биметаллического термочувствительного устройства 10, расположенного на нижней стороне термоэлектрического элемента 1. При достаточно сильном нагреве биметаллического термочувствительного устройства 10 происходит его срабатывание, проявляющееся в механическом воздействии на пружину 9. Под влиянием этого механического воздействия пружина 9 сжимается. Статическая характеристика совместно действующих биметаллического термочувствительного устройства 10 и пружины 9 обладает дискретностью, благодаря которой воздействие на шток 7 происходит только при достаточно большом нагреве биметаллического термочувствительного устройства 10. Дискретность этого воздействия проявляется в продольном перемещении штока 7 по направляющему элементу 4 «рывком».Simultaneously with the heating of thermocouple 1, the bimetallic thermosensitive device 10 is heated, located on the lower side of the thermoelectric element 1. When the bimetallic thermosensitive device 10 is sufficiently heated, it trips, which manifests itself in mechanical action on spring 9. Under the influence of this mechanical action, spring 9 is compressed. The static characteristic of the jointly operating bimetallic thermosensitive device 10 and spring 9 is discrete, due to which the impact on the rod 7 occurs only with a sufficiently large heating of the bimetallic thermosensitive device 10. The discreteness of this effect is manifested in the longitudinal movement of the rod 7 along the guide element 4 "jerk".

Продольное перемещение штока 7 вызывает поворот шестеренки 6 за счет передачи механического усилия посредством зубьев 8. Поскольку рассматриваемый направляющий элемент 4 жестко соединен с вертикальным валом 5, оба направляющих элемента 4 с находящимися на ними штоками 7, пружинами 9, термоэлектрическими элементами 1 и биметаллическими термочувствительными устройствами 10 поворачиваются относительно продольной оси вертикального вала 5. В результате этого поворота термоэлектрический элемент 1, подвергавшийся нагреву, выходит из зоны влияния источника теплоты, а на его место приходит второй термоэлектрический элемент 1, находящийся в холодном состоянии.The longitudinal movement of the rod 7 causes the rotation of the gear 6 due to the transmission of mechanical force through the teeth 8. Since the guide element 4 is rigidly connected to the vertical shaft 5, both guide elements 4 with the rods 7, springs 9, thermoelectric elements 1 and bimetal thermosensitive devices on them 10 rotate relative to the longitudinal axis of the vertical shaft 5. As a result of this rotation, the thermoelectric element 1, which has undergone heating, leaves the zone of influence I am a heat source, and in its place comes the second thermoelectric element 1, which is in a cold state.

Начиная с этого момента полностью прогретый и потерявший эффективность термоэлектрический элемент 1 охлаждается, и в работу вступает второй (холодный) термоэлектрический элемент 1.From this moment on, the thermoelectric element 1, which is completely warmed up and has lost its effectiveness, is cooled, and the second (cold) thermoelectric element 1 comes into operation.

Далее последовательность работы описанного фрагмента термоэлектрической системы производства энергии повторяется. Теперь нагревается и преобразует тепловую энергию в электрическую второй термоэлектрический элемент 1. Полученная электрическая энергия по общей электрической цепи 2 также отводится к потребителю. Одновременно с прогревом верхней стороны термоэлектрического элемента 1 и снижения эффективности преобразования тепловой энергии происходит нагрев биметаллического термочувствительного устройства 10 и его последующее дискретное воздействие через пружину 9, шток 7, зубья 8 на шестеренку 6. Поскольку зубья 8 штока 7 второго рассматриваемого направляющего элемента 4 находятся с противоположной стороны относительно оси шестеренки 6, поворот последней будет происходить в противоположную сторону.Next, the sequence of operation of the described fragment of the thermoelectric energy production system is repeated. Now heats up and converts thermal energy into electrical second thermoelectric element 1. Received electrical energy through a common electrical circuit 2 is also diverted to the consumer. Simultaneously with the heating of the upper side of the thermoelectric element 1 and the reduction of the thermal energy conversion efficiency, the bimetallic thermosensitive device 10 is heated and its subsequent discrete action through the spring 9, rod 7, teeth 8 on the gear 6. Since the teeth 8 of the rod 7 of the second considered guide element 4 are located the opposite side relative to the axis of the gear 6, the rotation of the latter will occur in the opposite direction.

Таким образом, в процессе работы термоэлектрической системы производства энергии нагреваемый и охлаждаемый термоэлектрические элементы 1 постоянно меняются местами, что позволяет преобразовывать тепловую энергию в электрическую в наиболее благоприятном режиме.Thus, during the operation of the thermoelectric power generation system, the heated and cooled thermoelectric elements 1 are constantly interchanged, which allows the conversion of thermal energy into electrical energy in the most favorable mode.

Для исключения накопления ошибки при повороте вертикального вала 5 на требуемый угол, а также для достижения фиксации направляющих элементов 4 в положении, при котором нагреваемый термоэлектрический элемент 1 находится над источником теплоты, в конструкции термоэлектрической системы производства энергии предусмотрена металлическая лента 11 с продольной направляющей бороздкой 12, двумя углублениями 13 и шариком 14, подпираемым укрепленной на неподвижной раме 3 опорной пружиной 15.To avoid the accumulation of error when the vertical shaft 5 is rotated by the required angle, as well as to achieve fixation of the guide elements 4 in a position in which the heated thermoelectric element 1 is above the heat source, a metal strip 11 with a longitudinal guide groove 12 is provided in the design of the thermoelectric energy production system , with two recesses 13 and a ball 14, supported by a support spring 15 mounted on a fixed frame 3.

Движение шарика 14 по продольной направляющей бороздке 12 определяется поворотом вертикального вала 5 вместе с направляющими элементами 4 с находящимися на них штоками 7, пружинами 9, термоэлектрическими элементами 1 и биметаллическими термочувствительными устройствами 10 относительно продольной оси вертикального вала 5. При повороте перечнеленных элементов на требуемый угол шарик 14 попадает в углубление 13 в продольной направляющей бороздке 12 на металлической ленте 11. Поскольку шарик 14 подпирается опорной пружиной 15, для его выхода из углубления 13 и продолжения движения по продольной направляющей бороздке 12 требуется значительное усилие, что еще более обусловливает дискретность процесса.The movement of the ball 14 along the longitudinal guide groove 12 is determined by the rotation of the vertical shaft 5 together with the guiding elements 4 with the rods 7, springs 9, thermoelectric elements 1 and bimetallic heat-sensitive devices 10 relative to the longitudinal axis of the vertical shaft 5. When turning the enumerated elements to the required angle the ball 14 enters the recess 13 in the longitudinal guide groove 12 on the metal tape 11. Since the ball 14 is supported by a support spring 15, to exit from the corner beat 13 and continue to move along the longitudinal guide groove 12 requires significant effort, which further determines the discreteness of the process.

Таким образом, при работе термоэлектрической системы производства энергии происходит поочередный нагрев и охлаждение термоэлектрических элементов. При этом чередование нагрева и охлаждения достигается перемещением термоэлектрических элементов в пространстве за счет механических усилий, развиваемых биметаллическими термочувствительными устройствами и использования энергии источника теплоты. Термоэлектрическая система производства энергии обладает повышенной эффективностью и не требует дополнительных затрат энергии на принудительное охлаждение термоэлектрических элементов.Thus, during the operation of a thermoelectric energy production system, the thermoelectric elements are alternately heated and cooled. In this case, the alternation of heating and cooling is achieved by moving thermoelectric elements in space due to mechanical forces developed by bimetallic heat-sensitive devices and using the energy of a heat source. The thermoelectric energy production system is highly efficient and does not require additional energy costs for forced cooling of thermoelectric elements.

Claims

A thermoelectric energy production system containing two thermoelectric elements connected to a common electrical circuit, characterized in that it is mounted on a fixed frame and is additionally equipped with a vertical shaft with a gear coaxially mounted on it and two guide elements rigidly diverging at an acute angle located in a plane perpendicular to the axis of the vertical shaft, two rods installed in the guide elements with the possibility of longitudinal movement, when the converging ends of the rods, by means of the teeth applied on their surface, are engaged with the gear on opposite sides of its axis, and the diverging ends of the rods through springs are connected to bimetallic thermosensitive devices located on the lower sides of the thermoelectric elements, the diverging ends of the guide elements are connected by a metal tape located along a circular arc with a center located on the axis of the vertical shaft, on the outer side of the metal strip is placed a longitudinal Naya guide groove with two recesses located in the areas of the metal strip connected to the guide elements, and in a longitudinal guide groove disposed bead underlaid support spring installed on the fixed frame.