RU166483U1 - Термоэлектрический генератор - Google Patents
Термоэлектрический генератор Download PDFInfo
- Publication number
- RU166483U1 RU166483U1 RU2016104154/06U RU2016104154U RU166483U1 RU 166483 U1 RU166483 U1 RU 166483U1 RU 2016104154/06 U RU2016104154/06 U RU 2016104154/06U RU 2016104154 U RU2016104154 U RU 2016104154U RU 166483 U1 RU166483 U1 RU 166483U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- attached
- tam
- block
- heat
- container
- Prior art date
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000011232 storage material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims abstract 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 13
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 7
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010063499 Sigma Factor Proteins 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical group 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010186 staining Methods 0.000 description 1
- AYEKOFBPNLCAJY-UHFFFAOYSA-O thiamine pyrophosphate Chemical compound CC1=C(CCOP(O)(=O)OP(O)(O)=O)SC=[N+]1CC1=CN=C(C)N=C1N AYEKOFBPNLCAJY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
- H02S10/30—Thermophotovoltaic systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J45/00—Discharge tubes functioning as thermionic generators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
1. Термоэлектрический генератор, включающий последовательно соединенные первый блок термоэлементов (ТЭ), блок управления, который выполняет функции переключения направления, стабилизации и регулировки тока ТЭ для зарядки аккумулятора, инвертор, первую емкость, наполненную первым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ), радиатор с пористым капиллярным веществом, способным поглощать и испарять влагу, к которому через первый блок ТЭ прикреплена первая емкость с первым ТАМ, способным поглощать и накапливать тепло за счет изменений температуры окружающей среды и генерировать тепло за счет экзотермического фазового перехода (ЭФП) под воздействием изменений температуры окружающей среды, отличающийся тем, что дополнительно введены солнечные батареи, солнечный коллектор (СК), наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью и имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность, вторая и третья дополнительные емкости, наполненные соответственно вторым и третьим ТАМ, а также второй, третий и четвертый блоки ТЭ, причем солнечные батареи прикреплены к верхней стороне СК, к нижней стороне СК прикреплен второй блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена вторая емкость, к нижней поверхности которой прикреплен третий блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена третья емкость, к нижней поверхности которой прикреплен четвертый блок ТЭ, нижней поверхностью контактирующий с первой емкостью.2. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры ЭФП.3. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ с разными
Description
Полезная модель относится к устройствам прямого преобразования солнечной радиации в электрическую энергию сочетанием термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей для обеспечения экологически чистым энергопитанием автономных датчиков и средств автоматики.
В полевых условиях плодотворна идея использования компактных устройств электропитания, основанных на преобразовании солнечного света и естественных перепадов температур в течение времени суток в электроэнергию солнечными панелями и термоэлементами на солнечном коллекторе с использованием эффекта Зеебека. Облучение и перепады температур могут создаваться также внешним источником - горелки, костра, выхлопных газов двигателя и т.д. Устройство может найти применение в самых разных климатических зонах в любое время суток.
Уровень техники.
Для питания автоматических датчиков и средств автоматики в настоящее время широкое распространение получили электрогенераторы на фотоэлектрических элементах (ФЭ), обычно объединенных в солнечные панели. Солнце излучает энергию в диапазоне λ=200-3000 нм. При этом используемый ФЭ диапазон ультрафиолетовых длин волн λ=200-800 нм охватывает 58% всей энергетической эффективности солнечного излучения. В то же время 42% энергии Солнца лежит в диапазоне длин волн λ=800-3000 нм в области теплового (инфракрасного - ИК) излучения и недоступна для фотоэлементов, т.е. не используется. Кроме того, ФЭ снижают свой КПД при их нагреве, а также не способны к электрогенерации в ночное время суток. Это ведет к тому, что несмотря на то, что в некоторых образцах ФЭ достигнут КПД=20-25%, в реальных ФЭ он составляет 10-12% [Специальные электрические машины: (Источники и преобразователи энергии). Учеб. Пособие для вузов/ А.И. Бертинов, Д.А. Бут, С.Р. Мизюрин и др. Под ред. А.И. Бертинова. - Энергоиздат, 1982. - 552 с. Ил.].
Как одно из решений задачи более эффективного использования солнечной радиации в ИК-области спектра является использование термоэлектрических элементов (ТЭ), основанных на эффекте Зеебека [Самойлович А.Г. Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии. М.: 2007. ЛКИ -224 с] - преобразовании в электроэнергию перепада температур аккумуляторов тепла от Солнца, а также бросового тепла в разных его формах - тепла отходящих газов теплоэлектростанций и котельных, нефти в трубопроводах, перепада температур воздуха и проточной воды в горах и артезианских скважин и др.
Принцип эффекта Зеебека заключается в генерации термоЭДС с коэффициентом α. Прибор, работающий на этом явлении - термопара или ТЭ из N проводников с разными коэффициентами термоЭДС αA и αB (см. Табл. 1). Если концы проводников находятся при разных температурах Т0 и TL, то на концах ветвей появляется термоЭДС:
В таблице 1 приведены значения коэффициентов термоЭДС а некоторых полупроводников и металлов.
Эффективность ТЭ определяется безразмерным коэффициентом - термоэлектрической добротностью (или коэффициентом Йоффе):
где k - коэффициент теплопроводности, а Р=σα2 - термоэлектрический коэффициент мощности, σ - электропроводность. КПД такой системы:
где С=α2k/2(ρ1+ρ2)=const, s - площадь сечения токопроводящей ветви, ρ1 и ρ2 - удельные сопротивления компонентов термопары. Благодаря уменьшению длины ветвей l до 0.1 нм удается практически освободиться от рассеяния направленной энергии электронов на ионных остовах решетки.
КПД удается повысить до ≈15-18% в составных термоэлектрических генераторах (ТЭГ). Такой ТЭГ позволяет получать значительные мощности уже при самых незначительных перепадах температур, всегда присутствующих в окружающей среде.
Важный, практически не используемый ресурс энергии - тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП), получаемое при кристаллизации фазоменяющего теплоаккумулирующего материала (ТАМ) при его остывании. Известно, что удельная энергоемкость ТАМ достигает 15000 кВт·ч/м3, что в 25 раз выше удельной энергоемкости воды (60 кВт·ч/м3). В качестве ТАМ могут быть применены гидратные соли и парафины, имеющие температуры фазовых переходов (ФП) в диапазоне 0÷100°С. Характеристики (температура плавления Tпл°С, теплота плавления Qпл(кДж/кг) и плотность ρтв(кг/м3)), например, для кристаллогидратных солей приведены в таблице 2.
Известно устройство (аналог) по патенту RU №135540 МПК H01J 45/00 от 20.11.2013 «Термоэлектрический генератор», содержащее последовательно соединенные блок ТЭ, блок управления, аккумуляторную батарею, инвертор, а также солнечную панель, соединенную с блоком управления и аккумуляторной батареей, отличающийся тем, что он (ТЭГ) снабжен тепло (холод) проводящими пластинами, первой и второй емкостями, заполненными соответственно, первым и вторым рабочими веществами, блок ТЭ имеет верхнюю и нижнюю поверхности, на которых закреплены соответственно, первая и вторая емкости, при этом первое и второе рабочие вещества имеют возможность испытывать фазовые переходы из одного агрегатного состояния в другое в разных температурных интервалах окружающей среды в течение всего времени суток, а тепло (холод) проводящие пластины закреплены на нижней поверхности блока ТЭ и погружены во второе рабочее вещество.
Недостатками этого устройства являются:
низкая надежность работы в экстремальных условиях жаркого климата вследствие нагрева ФЭ солнечной панели и снижения ее КПД;
рабочее вещество (ТАМ) имеет определенные температуры экзотермического фазового перехода и, следовательно, тепловыделение при кристаллизации будет находиться в узком температурном и временном диапазоне.
Известно устройство (прототип) по патенту RU №134698 МПК H01J 45/00, F24J 2/42 от 20.11.2013 «Термоэлектрический автономный источник питания», включающий термоэлектрические элементы, систему охлаждения, теплообменник горячих спаев термоэлементов, блок управления, полученная электроэнергия через аккумулятор направляется к потребителям, отличающийся тем, что блок термоэлементов закреплен одной поверхностью на радиаторе с пористым капиллярным веществом, способным поглощать и испарять воду, а другой поверхностью - на теплоаккумулирующей емкости способной поглощать и накапливать за счет тепла окружающего пространства и солнечной радиации, а также генерировать тепло за счет рабочего вещества, испытывающего фазовые переходы под воздействием изменений температуры окружающей среды в течение всего времени суток; в качестве рабочего вещества используется смесь кристаллогидратных солей или парафинов, имеющих разные температуры фазовых переходов; блок управления (контроллер) выполняет функции: переключения направления, стабилизации и регулировки тока термоэлементов для зарядки аккумулятора, а также переключения работы ТЭ на режим нагрева теплоаккумулирующей емкости; к радиатору на термоэлементе прикреплен воздухозаборник, повернутый к ветру; инвертор для питания потребителей переменного тока разной частоты; к емкости прикреплен солнечный коллектор.
Известное устройство позволяет получать электроэнергию в весенне-летне-осеннее время круглосуточно.
Недостатками этого устройства являются:
низкая эффективность устройства, поскольку поглощается только 42% солнечной радиации в тепловом диапазоне спектра и не используется 58% радиации видимой части спектра;
смесь кристаллогидратных солей или парафинов, используемая в качестве рабочего вещества ТАМ, вследствие химического взаимодействия между собой не в полной мере выполняет свою функцию последовательного выделения тепловой энергии по мере охлаждения ТАМ в ночное время суток.
Задачей полезной модели является разработка термоэлектрического генератора, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности, надежности устройства и диапазона его работы в температурном и временном диапазоне в условиях круглогодичной (в том числе зимней) эксплуатации в любое время суток.
Технический результат достигается тем, что в термоэлектрический генератор, включающий последовательно соединенные первый блок термоэлементов (ТЭ), блок управления, который выполняет функции переключения направления, стабилизации и регулировки тока ТЭ для зарядки аккумулятора, инвертор, первую емкость, наполненную первым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ), радиатор с пористым капиллярным веществом, способным поглощать и испарять влагу, к которому через первый блок ТЭ прикреплена первая емкость с первым ТАМ, способным поглощать и накапливать тепло за счет изменений температуры окружающей среды и генерировать тепло за счет экзотермического фазового перехода (ЭФП) под воздействием изменений температуры окружающей среды, согласно полезной модели дополнительно введены солнечные батареи, солнечный коллектор (СК), наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью и имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность, вторая и третья дополнительные емкости, наполненные соответственно вторым и третьим ТАМ, а также второй, третий и четвертый блоки ТЭ, причем солнечные батареи прикреплены к верхней стороне СК, к нижней стороне СК прикреплен второй блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена вторая емкость, к нижней поверхности которой прикреплен третий блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена третья емкость, к нижней поверхности которой прикреплен четвертый блок ТЭ, нижней поверхностью контактирующий с первой емкостью.
При этом первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода. При этом термогенератор может содержать «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ с разными температурами ЭФП с прикрепленными к ним «n» блоками ТЭ.
Таким образом, технический результат достигается тем, что солнечные батареи, прикрепленные к внешней стороне СК с теплопроводящим рабочим веществом и с внутренней свето-, теплопоглощающей поверхностью, эффективно охлаждаются рабочим веществом СК, тем самым поддерживает высокий КПД фотоэлементов солнечной панели в жаркое время суток за счет отвода от них тепла. Солнечная батарея круглогодично (в том числе и зимой) генерирует ток в светлое время суток. Три емкости с ТАМ, имеющем разные температуры ЭФП ТК1, ТК2 и ТК3 (причем ТК2>ТК3>ТК1) при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней ТАМ в верхней емкости испытывают ЭФП, поддерживая разность температур ΔТТЭ на блоках ТЭ, расположенных между ними. Четыре последовательно соединенных блока ТЭ выполняют функции составной термоэлектрической батареи, повышая КПД термоэлектрического генератора. Причем количество блоков ТЭ может наращиваться. Фотоэлементы солнечной панели и термоэлементы при перепадах температур ΔТТЭ вырабатывают электрический ток, который по электрическим проводам передается в блок управления (контроллер), в котором ток переключается в зависимости от полярности температурных градиентов ΔТТЭ на ТЭ и направляется в аккумулятор и при необходимости далее передается в инвертор для питания потребителей переменного тока необходимой частоты.
Сущность модели поясняется чертежом на фиг. 1, где изображена конструкция термоэлектрического генератора.
Цифрами на фиг. 1 обозначены:
1 - солнечные батареи,
2 - солнечный коллектор,
3 - незамерзающая, теплопроводящая жидкость,
4 - внутренняя свето-, теплопоглощающая поверхность СК,
5, 6, 7, 8 - первый, второй, третий и четвертый блоки ТЭ,
9, 10, 11 - первая, вторая и третья емкости с ТАМ,
12, 13, 14 - первый, второй и третий ТАМ с разными температурами ЭФП,
15 - радиатор,
16 - пористое капиллярное водопоглощающее/испаряющее вещество,
17 - токопроводящие электрические провода,
18 - блок управления,
19 - аккумулятор,
20 - инвертор.
Термоэлектрический генератор включает последовательно соединенные первый блок ТЭ 5, блок управления 18, который выполняет функции переключения направления, стабилизации и регулировки тока ТЭ для зарядки аккумулятора 19, инвертор 20, первую емкость 9, наполненную первым ТАМ 12, радиатор 15 с пористым капиллярным веществом 16, способным поглощать и испарять влагу, к которому через первый блок ТЭ 5 прикреплена первая емкость 9 с первым ТАМ 12, способным поглощать и накапливать тепло за счет изменений температуры окружающей среды и генерировать тепло за счет экзотермического фазового перехода (ЭФП) под воздействием изменений температуры окружающей среды.
Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что дополнительно введены солнечные батареи 1, прикрепленные к верхней поверхности солнечного коллектора 2 с незамерзающей теплопроводящей жидкостью 3 и имеющего внутреннюю свето-, теплопоглощающую поверхность 4, к нижней стороне СК прикреплен второй блок 6 ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена вторая емкость 10 со второй ТАМ 13, к нижней поверхности которой прикреплен третий блок 7 ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена третья емкость 11 с третьей ТАМ 14, к нижней поверхности которой прикреплен четвертый блок ТЭ 8, нижней поверхностью контактирующий с первой емкостью 9 с первым ТАМ 12, контактирующая с первым блоком ТЭ 5, нижней поверхностью контактирующий с радиатором 15 с пористым капиллярным веществом 16, способным поглощать и испарять атмосферную влагу. ТАМ 12, 13 и 14 с разными температурами ТК ЭФП, испытывают ЭФП под действием изменения температуры окружающей среды.
Устройство работает следующим образом.
Солнечная радиация падает на солнечную батарею 1, расположенную на внешней стороне СК 2 и поглощается фотоэлементами солнечной панели в диапазоне длин волн λ=200-800 нм, который охватывает 58% энергетической плотности солнечного излучения и вырабатывается электрический ток, передаваемый в блок управления 18. Оставшиеся 42% солнечной радиации (в силу прозрачности фотоэлементов и зазоров между ними) поглощаются незамерзающим теплопроводящим веществом 3 СК 2, а также внутренней свето-, теплопоглощающей поверхностью 4 СК. К нижней стороне СК прикреплен блок ТЭ 6, к которому снизу прикреплена вторая емкость 10, наполненная вторым ТАМ 13 и на перепаде температур ΔТТЭ между СК и поверхностью второй емкости 10 вырабатывается электрический ток, передаваемый в блок управления 18. К нижней стороне емкости 10 прикреплен блок ТЭ 7, к нижней стороне которого прикреплена третья дополнительная емкость 11, и на перепаде температур ΔТТЭ между поверхностями емкостей 10 и 11 вырабатывается электрический ток. К нижней стороне емкости 11 прикреплен блок ТЭ 8, к нижней стороне которого прикреплена первая емкость 9, и на перепаде температур ΔТТЭ между 11 и 9 вырабатывается электрический ток, передаваемый в блок управления 18. К нижней стороне емкости 9 прикреплен блок ТЭ 5, к нижней стороне которого прикреплен самый холодный элемент - радиатор 15, и на перепаде температур ΔТТЭ между поверхностями 9 и 15 вырабатывается электрический ток. Емкости 9, 10 и 11 наполнены ТАМ 12, 13 и 14, имеющим разные температуры ЭФП ТК1, ТК2 и ТК3 (причем ТК2>ТК3>ТК1), которые при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней, испытывают ЭФП, поддерживая разность температур ΔТТЭ на блоках ТЭ 7, 8, 5, расположенных между ними. Четыре последовательно соединенных блока ТЭ 6, 7, 8, 5 формируют составную термоэлектрическую батарею, повышающую КПД термоэлектрического генератора. Причем количество блоков ТЭ может наращиваться. Солнечная панель 1 и термоэлементы 5, 6, 7, 8 могут быть закреплены на солнечном коллекторе 2, емкостях 9, 10, 11 и радиаторе 15 через теплопроводящую пасту или притянуты скобами. Фотоэлементы солнечной панели 1 и термоэлементы 5, 6, 7, 8 при перепадах температур вырабатывают электрический ток, который по электрическим проводам 17 передается в блок управления (контроллер) 18, в котором ток переключается в зависимости от полярности температурных градиентов ΔТТЭ на ТЭ и направляется в аккумулятор 19 и при необходимости далее передается в инвертор 20 для питания потребителей переменного тока нужной частоты.
Солнечные панели 1 генерируют ток круглогодично в дневное время суток. Генерация тока ночью первоначально осуществляется на ТЭ 6 при перепаде температур ΔТТЭ1 между нагретым в дневное время СК 2 и емкостью 10. Далее в ходе остывания ТАМ 13 (напр. MgCl2·6H2O) в емкости 10 при снижении температуры до температуры ТК2=116°С возникает ЭФП с выделением тепла, что создает дополнительную разность температур ΔТТЭ между емкостями 10 и 11 и генерацию тока с ТЭ 7. Далее по мере остывания ночью наступает очередь генерации тепла и тока за счет ЭФП ТАМ 14 (напр. Na2S2O3·5H2O) с более низкой ТК3=58°С на разности температур ΔТТЭ между 11 и 9 в ТЭ 8. Наконец возникает ЭФП в ТАМ 12 (например в CaCl2·6H2O) с самой низкой TK1=29.7°С на разности температур ΔTТЭ между 12 и радиатором 15 в ТЭ 5.
Ток от солнечных панелей 1 и термоэлементов 5, 6, 7, 8 типа ТЭС или ТЭБ, обеспечивающих выработку тока до 2 А при перепаде температур 60°С, по электрическим проводам 17 передается в контроллер 18 (например марки Atmega или TRS61100PW) и направляется в аккумулятор 19 преимущественно щелочной, не содержащий кадмия или лития, обладающий очень низким саморазрядом и при необходимости далее передается в инвертор 20 для питания потребителей переменного тока требуемой частоты.
Техническим результатом полезной модели является повышение КПД в 1,5-2 раза до 15% по сравнению с известными устройствами, а также круглогодичная и круглосуточная работа термоэлектрогенератора, т.е. увеличение времени его функционирования в среднем на 50%.
Кроме того, заявляемое устройство ТЭГ может быть применено как тепловой насос зимой. Например, в зимнее время при отрицательных температурах окружающей среды радиатор, закопанный в земле на глубине 3-10 м, где температура держится на уровне +5-+7°С или погруженный в воду (вода подо льдом или артезианская имеет температуру ≈+4°С) способен создавать обратные градиенты температур на ТЭ, которые будут генерировать ток.
Пример.
Работа устройства термоэлектрогенератора на гидратных солях MgCl2·6H2O, Na2S2O3·5H2O и CaCl2·6H2O
Для демонстрации работы ТЭГ в ночное время суток были использованы соли MgCl2·6H2O, Na2S2O3·5H2O и CaCl2·6H2O, испытывающая ЭФП при температурах соответственно TK2=116°С, TК3=58°С и TK1=29.7°С. Для исследований была использована установка, приведенная на фиг. 1. Внутренняя поверхность СК была покрыта медной фольгой, химически обработанной до окрашивания меди ее окислом CuO в черный цвет. Температура радиатора, обдуваемого вентилятором (моделирование потока ветра) поддерживалась при комнатной температуре Т≈20°С. Поверхности ТЭ термопастой подсоединялись к поверхностям плоских медных емкостей с ТАМ - солями MgCl2·6H2O, Na2S2O3·5H2O и CaCl2·6H2O, что обеспечивало на термоэлементах типа ТЕС-127 ток до 2 А. Измерение термоэлектрического напряжения UТЭ (мВ) осуществлялось цифровым мультиметром Mastech MAS 830L класса точности 0.2, температура в СК контролировалась цифровым термометром класса точности 0,2, а в ТАМ - по градуировочной кривой, предварительно полученной для каждого ТАМ. Устройство облучалось сразу двумя лампами - аргоновой лампой высокого давления с диапазоном излучения λ=200-1000 нм (с максимумом при λ=500 нм), обеспечивающей УФ и видимый диапазон излучения Солнца для солнечной панели 18V2W Solar Charger модель №KG1800, и лампой накаливания, обеспечивающей ИК-диапазон λ=800-3000 нм излучения Солнца. Температура рабочего вещества (этиленгликоль) после 70 минут нагрева достигла 120°С и при остывании при 20°С окружающей среды и использовании термоэлементов типа ТБ 127-1,4-2,5, имеющих выходные характеристики UMAX(В)=16.3 В, ток IMAX=3.7 А при перепаде температур ΔТ≈70°С, обеспечило максимальную мощность РМАХ=37.4 ВА. Термоэлемент типа К1-241-1,4/1,1-GL-S с UMAX (В)=18 В, током IMAX=5,5 А при перепаде температур ΔТ≈70°С, обеспечивает максимальную мощность РМАХ=99 ВА.
При работе ТЭГ в зимнее время на ТЭ типа ТЕС-127-1,4-2,5 с температурой радиатора +4°С и температурой окружающей среды - 7°С, перепад температур ΔТТЭ≈10°С обеспечил напряжение UТЭ=3.6 В. Ток зарядки аккумулятора TP 2.3-12 контролировался микроконтроллером АТМЕ-GA8515L и передавался на инвертор DC/AC НТ-Е-100-12.
Таким образом, использование заявляемого устройства ТЭГ может обеспечить круглогодичное и круглосуточное с более высоким КПД автономное питание аппаратуры. При этом ТЭГ обладает компактностью, бесшумностью и надежностью (отсутствие движущихся деталей).
Claims (3)
1. Термоэлектрический генератор, включающий последовательно соединенные первый блок термоэлементов (ТЭ), блок управления, который выполняет функции переключения направления, стабилизации и регулировки тока ТЭ для зарядки аккумулятора, инвертор, первую емкость, наполненную первым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ), радиатор с пористым капиллярным веществом, способным поглощать и испарять влагу, к которому через первый блок ТЭ прикреплена первая емкость с первым ТАМ, способным поглощать и накапливать тепло за счет изменений температуры окружающей среды и генерировать тепло за счет экзотермического фазового перехода (ЭФП) под воздействием изменений температуры окружающей среды, отличающийся тем, что дополнительно введены солнечные батареи, солнечный коллектор (СК), наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью и имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность, вторая и третья дополнительные емкости, наполненные соответственно вторым и третьим ТАМ, а также второй, третий и четвертый блоки ТЭ, причем солнечные батареи прикреплены к верхней стороне СК, к нижней стороне СК прикреплен второй блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена вторая емкость, к нижней поверхности которой прикреплен третий блок ТЭ, к нижней стороне которого прикреплена третья емкость, к нижней поверхности которой прикреплен четвертый блок ТЭ, нижней поверхностью контактирующий с первой емкостью.
2. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры ЭФП.
3. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ с разными температурами ЭФП с прикрепленными к ним «n» блоками ТЭ.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016104154/06U RU166483U1 (ru) | 2016-02-09 | 2016-02-09 | Термоэлектрический генератор |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016104154/06U RU166483U1 (ru) | 2016-02-09 | 2016-02-09 | Термоэлектрический генератор |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU166483U1 true RU166483U1 (ru) | 2016-11-27 |
Family
ID=57777057
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016104154/06U RU166483U1 (ru) | 2016-02-09 | 2016-02-09 | Термоэлектрический генератор |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU166483U1 (ru) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2654980C1 (ru) * | 2017-09-08 | 2018-05-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет "(ЮЗГУ) | Компактный термоэлектрогенератор |
| RU2662244C1 (ru) * | 2016-06-09 | 2018-07-25 | ДжиИ АВИЭЙШН СИСТЕМЗ ЭлЭлСи | Солнечный генератор и способ преобразования солнечного излучения в электричество |
| RU2675640C1 (ru) * | 2017-10-25 | 2018-12-21 | Публичное акционерное общество энергетики и электрификации Кубани | Комбинированная гелиоколлекторная установка |
| RU2724206C1 (ru) * | 2019-12-10 | 2020-06-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Автономная космическая энергетическая установка |
| RU2817542C1 (ru) * | 2024-01-23 | 2024-04-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Система преобразования солнечной энергии в электрическую энергию |
-
2016
- 2016-02-09 RU RU2016104154/06U patent/RU166483U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2662244C1 (ru) * | 2016-06-09 | 2018-07-25 | ДжиИ АВИЭЙШН СИСТЕМЗ ЭлЭлСи | Солнечный генератор и способ преобразования солнечного излучения в электричество |
| US10679834B2 (en) | 2016-06-09 | 2020-06-09 | Ge Aviation Systems Llc | Hybrid solar generator |
| US10984995B2 (en) | 2016-06-09 | 2021-04-20 | Ge Aviation Systems Llc | Hybrid solar generator |
| RU2654980C1 (ru) * | 2017-09-08 | 2018-05-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет "(ЮЗГУ) | Компактный термоэлектрогенератор |
| RU2675640C1 (ru) * | 2017-10-25 | 2018-12-21 | Публичное акционерное общество энергетики и электрификации Кубани | Комбинированная гелиоколлекторная установка |
| RU2724206C1 (ru) * | 2019-12-10 | 2020-06-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Автономная космическая энергетическая установка |
| RU2817542C1 (ru) * | 2024-01-23 | 2024-04-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Система преобразования солнечной энергии в электрическую энергию |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11316090B2 (en) | Thermoelectric generator | |
| RU166483U1 (ru) | Термоэлектрический генератор | |
| Gürel | Exergetic assessment of a concentrated photovoltaic thermal (CPV/T) system | |
| Ajarostaghi et al. | Solar energy conversion technologies: Principles and advancements | |
| CN109524496A (zh) | 一种基于储能温差发电的全时太阳能电池 | |
| Liu et al. | Advances and outlook of TE-PCM system: a review | |
| Sui et al. | Theoretical and experimental evaluation of a thermoelectric generator using concentration and thermal energy storage | |
| RU2626242C1 (ru) | Способ работы термоэлектрического генератора | |
| Tan | Passive cooling of concentrated solar cells using phase change material thermal storage | |
| Rajaram et al. | Experimental investigation of solar panel cooling by the use of phase change material | |
| Chen et al. | Experimental investigation on thermoelectric chiller driven by solar cell | |
| WO2002101912A1 (fr) | Dispositif a effet thermoelectrique, systeme direct de conversion d'energie, et systeme de conversion d'energie | |
| Tan et al. | Sustainable thermoelectric power system using concentrated solar energy and latent heat storage | |
| RU134698U1 (ru) | Термоэлектрический автономный источник питания | |
| Raut et al. | Recent developments in photovoltaic-thermoelectric combined system | |
| EA013358B1 (ru) | Усиленный термически твердофазный генератор | |
| Wang et al. | Efficient Power Conversion Using a PV-PCM-TE System Based on a Long Time Delay Phase Change With Concentrating Heat | |
| RU135450U1 (ru) | Термоэлектрический генератор | |
| Acır et al. | Experimental investigation of a thermal energy storage unit integrated with thermoelectric generators under solar radiation | |
| Zhang et al. | Phase change material and the thermoelectric effect for solar energy harvesting and storage | |
| Aizpurua et al. | Advanced solar energy systems with thermoelectric generators | |
| Kalbande et al. | Feasibility evaluation of solar refrigeration system: a case study | |
| Llin et al. | Thermoelectrics, photovoltaics and thermal photovoltaics for powering ICT devices and systems | |
| CN107911046A (zh) | 一种适用于农村地区的热发电系统 | |
| Chen et al. | Potential Future Heat Harvester via Thermoelectric Device Implementation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20170123 |