RU2191447C2

RU2191447C2 - Thermoelectric generator

Info

Publication number: RU2191447C2
Application number: RU2000114622A
Authority: RU
Inventors: В.Е. Баукин; А.П. Вялов; В.Д. Горбач; Г.К. Муранов; О.Г. Соколов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Инженерно-производственная фирма "КРИОТЕРМ"
Priority date: 2000-06-08
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2002-10-20

Abstract

FIELD: thermal-to-electrical energy conversion. SUBSTANCE: thermoelectric generator designed for recovering waste heat of nuclear reactors, internal-combustion engines, diesel engines, and other heat engines has heater unit, cooler unit, and thermopiles made in the form of modules assembled into integrated unit disposed between heater and cooler units. Heater unit may be made as hollow structure which enables mounting it on exhaust pipe of internal combustion or diesel engine, Proposed design and four-component material of thermal cells make it possible to develop space- saving generator easily disposed in ship hull at location point of exhaust pipe and in motor vehicle. Generator may be rated at output power of 10-30 kW and higher depending on engine rating and its efficiency may be as high as 10%. EFFECT: enhanced quality of cells assembled in modules due to higher power of modules and increased temperature of hot junction. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в термоэлектрических генераторах (ТЭГ), применяемых с целью утилизации отработавшего тепла ядерных реакторов, двигателей внутреннего сгорания (ДВС), дизельных и других тепловых двигателей. The invention relates to the field of conversion of thermal energy into electrical energy and can be used in thermoelectric generators (TEG) used to utilize the spent heat of nuclear reactors, internal combustion engines (ICE), diesel and other heat engines.

Известно много различных конструкций ТЭГ, применяемых в качестве автономных источников питания для аппаратуры, работающей в полевых условиях, например "Портативный ТЭГ на жидком органическом топливе" по а.с. 1235425, "ТЭГ" по а. с. 1686984, "ТЭГ" по патенту 2018196. Все указанные генераторы преобразуют в электрическую энергию тепло, получаемое от газовых горелок, печей, костров и тому подобных источников тепла. Эти генераторы используют высокотемпературное тепло, а потому в их конструкции для уменьшения прямого теплового воздействия на термоэлектрические элементы имеются различные теплоотводы, например экраны, рассеиватели, сосуды с водой или мощные металлические плиты. There are many different designs of TEG used as autonomous power sources for equipment operating in the field, for example, "Portable TEG on liquid organic fuel" by A. with. 1235425, "TEG" by a. from. 1686984, "TEG" according to the patent 2018196. All of these generators convert the heat received from gas burners, stoves, bonfires and the like heat sources into electrical energy. These generators use high-temperature heat, and therefore, in their design, to reduce the direct thermal effect on thermoelectric elements, there are various heat sinks, for example, screens, diffusers, water vessels or powerful metal plates.

Известны также конструкции ТЭГ, использующих низкотемпературное тепло, например "Глушитель шума выхлопа ДВС" по а.с. 1285168, в котором установлен ТЭГ, горячие спаи которого омываются выхлопными газами, холодные спаи - наружным воздухом, а энергия, получаемая этим ТЭГ, используется для подзарядки аккумуляторов или вспомогательных нужд. TEG designs using low-temperature heat are also known, for example, “ICE exhaust silencer” by a.s. 1285168, in which a TEG is installed, hot junctions of which are washed by exhaust gases, cold junctions - by external air, and the energy received by this TEG is used to recharge batteries or auxiliary needs.

В качестве прототипа данного изобретения выбран "Парообразователь с ТЭГ" по а.с. 113206. Совокупность признаков этого генератора состоит из узла нагревателя, представленного парообразователем, имеющим печь и поверхность нагрева которого имеет в поперечном сечении развитую поверхность в форме многоконечной звезды, выполненной в виде отдельных отливок, в полостях которых циркулирует вода и которые являются узлом охладителя. На поверхности нагревателя расположены термоэлементы, объединенные в батареи таким образом, что одна группа спаев термоэлементов соприкасается с печными дымовыми газами, а другая прижата к поверхности, омываемой водой. As a prototype of this invention, the selected "Steam generator with TEG" by A. with. 113206. The set of features of this generator consists of a heater assembly represented by a steam generator having a furnace and the heating surface of which has in cross section a developed surface in the form of a multi-pointed star made in the form of individual castings in the cavities of which water circulates and which are the cooler assembly. Thermocouples are located on the surface of the heater, combined into batteries in such a way that one group of thermocouple junctions is in contact with furnace flue gases, and the other is pressed to the surface washed by water.

Задачей настоящего изобретения является получение компактного ТЭГ с выходной мощностью от 30 кВт и более, имеющего высокий КПД и использующего для горячих спаев термоэлементов низкотемпературное тепло порядка 300-600^oС, получаемое от выхлопных газов ДВС и других тепловых двигателей. Эту задачу удается решить повышением добротности применяемых термоэлементов, собранных в специальные модули, как за счет увеличения единичной мощности самих модулей, так и за счет повышения рабочей температуры горячего спая.The objective of the present invention is to obtain a compact TEG with an output power of 30 kW or more, having high efficiency and using low temperature heat for hot junctions of thermocouples of the order of 300-600 ^o C obtained from the exhaust gases of internal combustion engines and other heat engines. This problem can be solved by increasing the quality factor of the used thermocouples assembled in special modules, both by increasing the unit power of the modules themselves and by increasing the working temperature of the hot junction.

Для достижения указанных технических результатов предлагается ТЭГ, содержащий узел нагревателя, имеющий в поперечном сечении развитую поверхность, узел охладителя и батареи термоэлементов, выполненные в виде модулей, которые собраны в блок, размещенный между узлами нагревателя и охладителя. Нагрев поверхности нагревателя, происходящий, например, за счет конвекционного тепла от выхлопных газов ДВС, и одновременно охлаждение холодных спаев термоэлементов за счет потока воздуха или потока забортной воды (при использовании ТЭГ на судах) приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых благодаря эффекту Зеебека возникает термоЭДС, которую можно по специальным токоотводам направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна или автомобиля. Кроме того, в каждом из указанных модулей последовательно коммутируются до 300 термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а другая - n-типа, при этом каждая ветвь p-типа содержит в %:
Висмут - 9-21
Теллур - 54-60
Сурьма - 23-31
Селен - 0-2
а каждая ветвь n-типа содержит, %:
Висмут - 50-56
Теллур - 34-47
Сурьма - 0-2
Селен - 1-10
Из указанного диапазона компонентов предпочтительный состав для работы термоэлементов, например, в диапазоне температур по горячему спаю в 150±15^oС будет следующим:
ветвь с n-типом проводимости (90 мас.% Bi₂Te₃ и 10 мас.% Bi₂Se₃):
Висмут - 53,2 мас.%
Теллур - 43,8 мас.%
Селен - 3,0 мас.%
ветвь с p-типом проводимости (25 мас.% Bi₂Te₃ и 75 мас.% Sb₂Те₃):
Сурьма - 27,3 мас.%
Висмут - 15,6 мас.%
Теллур - 57,6 мас.%
Кроме указанного общего технического решения, узел нагревателя такого термогенератора может быть выполнен в виде многоконечной звезды в поперечном сечении, а для использования тепла отработавших газов, отводимых по выхлопной трубе от ДВС или дизеля, в нем может быть предусмотрена специальная полость для крепления на указанной выхлопной трубе, а кроме того, конструкция узла охладителя может быть включена в контур системы охлаждения двигателя.To achieve the indicated technical results, a TEG is proposed, comprising a heater assembly, having a developed surface in cross section, a cooler assembly, and thermoelement batteries made in the form of modules that are assembled in a block located between the heater and cooler assemblies. The heating of the heater surface, occurring, for example, due to convection heat from the exhaust gases of the internal combustion engine, and at the same time cooling of the cold junctions of thermocouples due to the air flow or the outboard water flow (when using TEG on ships) leads to a temperature difference between the cold and hot junctions of the thermocouples, on which, due to the Seebeck effect, thermoelectric power arises, which can be sent through special down conductors to the payload of the general electrical circuit of the ship or car. In addition, in each of these modules, up to 300 thermocouples having two branches are sequentially switched, one of which is p-type and the other is n-type, with each p-type branch containing in%:
Bismuth - 9-21
Tellurium - 54-60
Antimony - 23-31
Selenium - 0-2
and each n-type branch contains,%:
Bismuth - 50-56
Tellurium - 34-47
Antimony - 0-2
Selenium - 1-10
From the specified range of components, the preferred composition for the operation of thermocouples, for example, in the temperature range of the hot junction of 150 ± 15 ^o With will be as follows:
branch with n-type conductivity (90 wt.% Bi ₂ Te ₃ and 10 wt.% Bi ₂ Se ₃ ):
Bismuth - 53.2 wt.%
Tellurium - 43.8 wt.%
Selenium - 3.0 wt.%
a branch with p-type conductivity (25 wt.% Bi ₂ Te ₃ and 75 wt.% Sb ₂ Te ₃ ):
Antimony - 27.3 wt.%
Bismuth - 15.6 wt.%
Tellurium - 57.6 wt.%
In addition to the indicated general technical solution, the heater assembly of such a thermogenerator can be made in the form of a multi-pointed star in cross section, and to use the heat of the exhaust gases discharged through the exhaust pipe from the internal combustion engine or diesel engine, a special cavity can be provided for mounting it on the specified exhaust pipe and, in addition, the design of the cooler assembly can be included in the circuit of the engine cooling system.

На чертеже схематически изображен термоэлектричесий генератор (ТЭГ). The drawing schematically shows a thermoelectric generator (TEG).

ТЭГ содержит узел нагревателя 1, представляющий собой литой корпус с развитой поверхностью в поперечном сечении в виде шестиугольной звезды и закрепленный на выхлопной трубе ДВС или дизеля, узел охлаждения 2, выполненный в виде трубопровода, по которому циркулирует вода, например забортная, при использовании ТЭГ в качестве судового устройства, и термоэлектрические модули (ТЭМ) 3, установленные на поверхности узла нагревателя таким образом, что их холодные спаи проходят вдоль указанного трубопровода. The TEG contains a heater unit 1, which is a cast housing with a developed surface in cross section in the form of a hexagonal star and mounted on the exhaust pipe of an engine or diesel engine, a cooling unit 2, made in the form of a pipeline through which water is circulated, for example, outboard, when using TEG in quality of the ship’s device, and thermoelectric modules (TEM) 3 mounted on the surface of the heater assembly in such a way that their cold junctions pass along the specified pipeline.

Известно, что для интервалов температур, характерных при использовании для ТЭГ тепла отработавших газов ДВС или дизелей (порядка 300-600^oС), современные материалы дают возможность получить параметр добротности модулей порядка:
Z=(1,2÷1,5)•(10^-3гpaд^-1 [1]
В то же время проведенные испытания показали, что примененные в качестве материала ветвей ТЭМ четверные сплавы, указанные выше, обеспечивают добротность модуля даже выше этих значений.It is known that for temperature intervals characteristic when using TEG heat from exhaust gases of internal combustion engines or diesel engines (of the order of 300-600 ^o C), modern materials make it possible to obtain the quality factor of the order modules:
Z = (1.2 ÷ 1.5) • (10 ^-3 degrees ^-1 [1]
At the same time, the tests showed that the quaternary alloys used as the material of the TEM branches mentioned above provide the quality factor of the module even above these values.

Проверка работоспособности опытного ТЭГ мощностью в 3 кВт и с КПД порядка 10% была проведена на макете энергетической установки судна (дизеле мощностью 110 кВт) и подтвердила все расчетные характеристики генератора. The operability test of an experimental TEG with a capacity of 3 kW and with an efficiency of about 10% was carried out on the model of the ship’s power plant (110 kW diesel engine) and confirmed all the design characteristics of the generator.

Литература
1. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые элементы, АН СССР, М.-Л., 1960.Literature
1. Ioffe A.F. Semiconductor elements, Academy of Sciences of the USSR, M.-L., 1960.

Claims

1. A thermoelectric generator comprising a heater assembly having a developed surface in cross section, a cooler assembly and semiconductor thermocouple batteries, characterized in that the batteries are made in the form of modules, and the modules are assembled in a block located between the cooler and heater assemblies in each of the modules up to 300 thermoelements having two branches are sequentially switched, one of which is p-type and the other is n-type, with each p-type branch containing,%:
Bismuth - 9-21
Tellurium - 54-60
Antimony - 23-31
Selenium - 0-2
and each n-type branch contains,%:
Bismuth - 50-56
Tellurium - 34-47
Antimony - 0-2
Selenium - 1-10
2. The thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the heater assembly has a cross-sectional shape of a multi-pointed star.

3. The thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the heater assembly is hollow and can be mounted on the exhaust pipe of an internal combustion engine or diesel engine.

4. The thermoelectric generator according to claim 3, characterized in that the cooler assembly is included in the circuit of the cooling system of an internal combustion engine or diesel engine.