RU2626242C1 - Способ работы термоэлектрического генератора - Google Patents

Способ работы термоэлектрического генератора Download PDF

Info

Publication number
RU2626242C1
RU2626242C1 RU2016104369A RU2016104369A RU2626242C1 RU 2626242 C1 RU2626242 C1 RU 2626242C1 RU 2016104369 A RU2016104369 A RU 2016104369A RU 2016104369 A RU2016104369 A RU 2016104369A RU 2626242 C1 RU2626242 C1 RU 2626242C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
temperature
current
transferred
tam
Prior art date
Application number
RU2016104369A
Other languages
English (en)
Inventor
Рустем Султанхамитович Кашаев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ")
Priority to RU2016104369A priority Critical patent/RU2626242C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2626242C1 publication Critical patent/RU2626242C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J45/00—Discharge tubes functioning as thermionic generators
    • 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
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способу круглогодичной и круглосуточной термоэлектрической генерации, а именно к способу прямого преобразования солнечной радиации в электрическую энергию сочетанием фотоэлектрических и термоэлектрических преобразователей для обеспечения экологически чистым энергопитанием автономных датчиков и приборов. Технический результат - повышение эффективности, надежности и температурного и временного диапазона термоэлектрогенерации в условиях круглогодичной (в том числе зимней) и круглосуточной эксплуатации. Солнечные батареи эффективно охлаждаются рабочим веществом СК через его верхнюю поверхность, тем самым поддерживается высокий КПД СБ в жаркое время за счет отвода от них тепла на рабочее вещество СК. СБ круглогодично (в том числе и зимой) генерирует ток в светлое время суток. Далее через теплопередающее дно СК тепло передается на блок ТЭ2. Три емкости с теплоаккумулирующими материалами, имеющими разные температуры ЭФП Т1, Т2 и Т3 (причем Т2>T3>Т1), при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней ТАМ в верхней емкости испытывают ЭФП, поддерживая разность температур ΔT на блоках ТЭ, расположенных между ними. Четыре последовательно соединенных блока ТЭ выполняют функции составной термоэлектрической батареи, повышая КПД термоэлектрического генератора. Радиатор с пористым капиллярным веществом испаряет атмосферную влагу в жаркое время суток, тем самым создавая положительный (сверху вниз) градиент температур +ΔТ. В холодное время пористое капиллярное вещество поглощает влагу, создавая отрицательный -ΔT (снизу вверх) градиент температур. И в том, и в другом случае эти градиенты используются для выработки электроэнергии. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к способу прямого преобразования солнечной радиации в электрическую энергию сочетанием термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей для обеспечения экологически чистым энергопитанием автономных датчиков, контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИП и А), бытовых систем электропитания.
В полевых условиях плодотворна идея использования термоэлектрических генераторов (ТЭГ), основанных на преобразовании солнечного света и естественных перепадов температур в течение времени суток в электроэнергию термоэлементами (ТЭ) с использованием эффекта Зеебека и солнечными панелями на фотоэлементах (ФЭ). Облучение и перепады температур могут создаваться также внешними источниками - горелками, выхлопными газами котельных и теплоэлектростанций, двигателей, ядерными отходами и т.д.
Для питания автоматических датчиков и средств автоматики в настоящее время широкое распространение получили электрогенераторы на солнечных батареях (СБ), обычно объединенных в солнечные панели. Фотоэлектрическая мощность системы определяется мощностью СБ, а тепловая мощность - эффективностью солнечного коллектора (СК). Солнце излучает энергию в диапазоне λ=200-3000 нм. При этом используемый диапазон ультрафиолетовых (УФ) и видимых длин волн λ=200-800 нм охватывает 58% всей энергетической эффективности солнечного излучения. В то же время 42% энергии Солнца лежит в диапазоне λ=800-3000 нм в области теплового (инфракрасного - ИК) излучения и недоступна для СБ.
Эффективность СБ (выражаемая через КПД) зависит от температуры T, при которой они работают. Повышение Т на один градус ведет к тому, что КПД падает на ≈0.5%. В реальных же условиях СБ могут нагреваться до высоких температур Т. В этом случае КПД ηФ ФЭ определяется формулой:
Figure 00000001
где ηо - КПД при стандартных условиях: Т=То=25°C, освещенности 1000 Вт/м2; k - температурный градиент, зависящий от типа и конструкции СБ. Кроме того, СБ не способны к электрогенерации в ночное время. Это ведет к тому, что хотя в некоторых опытных образцах СБ достигнут КПД=20-25%, в реальных 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.].
Солнечный коллектор (СК) в составе гелиоустановки выполняет двоякую роль: накапливает солнечную энергию в виде тепла и отводит тепло потребителю. Встает вопрос о выборе типа коллектора, тепловой КПД которого зависит от вида коллектора и разницы температур между температурой СК Tкол и температурой воздуха Tвозд [http://www.energy-bio.ru/suncoll6.htm]. Максимальный КПД все типы СК имеют при Tкол=Твозд, но у СК в виде абсорбера он достигает КПД=90%. Для оценки эффективности СК в зависимости от интенсивности солнечного излучения Е используются паспортные данные: оптический коэффициент полезного действия (η0) и коэффициенты тепловых потерь (a 1 и а 2), которые с КПД связаны уравнением:
Figure 00000002
Для абсорбера КПД от (Tкол-Tвозд) он будет иметь вид:
Figure 00000003
где η0=90 - КПД при стандартных условиях: Т=То=25°C, освещенности 1000 Вт/м2, k=0.02 - коэффициент, зависящий от типа и конструкции СК.
Из всех абсорбирующих покрытий самым эффективным считается высокоселективное покрытие Sunselect, Tinox, поглощающее 95% и излучающее 5% энергии Солнца.
Зимой СК засыпаются снегом и только у плоских СК можно реализовать режим принудительной оттайки, их также можно монтировать вертикально для получения максимума КПД в зимний период.
Термоэлементы (ТЭ) используют на основе эффекта Зеебека преобразование в электроэнергию перепада температур аккумуляторов тепла, Солнца и окружающей среды, бросового тепла в разных его проявлениях. Принцип эффекта заключается в генерации термоЭДС с коэффициентом α. Устройство, работающее на этом явлении - термопара или ТЭ из N полу/проводников с разными коэффициентами термоЭДС αA и αB (таблица 1). При разных температурах Т0 и TL на концах проводников появляется термоЭДС:
Figure 00000004
Значения термоЭДСα(мкВ/К) (мкВ/К) для Т=300°К
Figure 00000005
Эффективность ТЭ определяется безразмерным коэффициентом - термоэлектрической добротностью ZT (или коэффициентом Йоффе):
Figure 00000006
где σ - электропроводность, α и k - коэффициенты термоЭДС и теплопроводности. В отличие от СБ, значение ZT с ростом T увеличивается, достигая ZT=1 для наиболее распространенного ТЭ-материала Bi2Те3 в температурном диапазоне Т=353÷423 К (80÷150°C). Следовательно растет термоэлектрический коэффициент мощности Р=σα2 и КПД η ТЭ по формуле:
Figure 00000007
где С=α2k/2(ρ1+ρ2)=const, s - площадь сечения токопроводящей ветви, ρ1 и ρ2 - удельные сопротивления компонентов термопары.
КПД и мощность ТЭ-батареи удается повысить на несколько процентов в каскадном ТЭГ, состоящем из нескольких параллельно/последовательно соединенных ТЭ. Так, каскадная ТЭ-батарея с ТЭ из халькогениды сурьмы и висмута при работе в интервале температур 50→550°C имели КПД=11%. Каскадная ТЭ-батарея из этих же ТЭ повысила КПД до 13,5%, т.е. на 2.5%.
Наконец 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 ЭФП в диапазоне 0÷100°C. Характеристики (температура плавления Тпл°C, теплота плавления Qпл (кДж/кг) и плотность ρтв (кг/м3)), например, для кристаллогидратных солей приведены в таблице 2.
Характеристики для кристаллогидратных солей
Figure 00000008
Таким образом, для решения задачи повышения эффективности ТЭГ могут быть применены следующие меры:
1. Снижение рабочей температуры солнечных батарей;
2. Использование солнечного коллектора;
3. Применение ТЭ для использования излучения в ИК-области спектра;
4. Использование каскадных батарей ТЭ;
5. Использование тепла ЭФП.
Известен способ работы термоэлектрического генератора (ТЭГ) по патенту RU №135540, МПК H01J 45/00 от 20.11.2013, содержащего последовательно соединенные блок ТЭ, блок управления, аккумуляторную батарею, инвертор, а также солнечную панель, соединенную с блоком управления и аккумуляторной батареей, при этом ТЭГ снабжен тепло(холод)проводящими пластинами, первой и второй емкостями, заполненными соответственно первым и вторым рабочими веществами ТАМ, 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, передавая ему тепло от первого рабочего вещества.
Недостатками этого способа являются:
ненадежность работы в экстремальных условиях жаркого климата вследствие нагрева солнечной панели и снижения ее КПД;
рабочее вещество (ТАМ) имеет четко определенные температуры ЭФП и, следовательно, тепловыделение при кристаллизации будет находиться в узком температурном и временном диапазоне.
Известен способ работы термоэлектрического генератора (ТЭГ) по патенту RU №134698, МПК H01J 45/00, F24J 2/42 от 20.11.2013, содержащего термоэлектрические элементы, теплообменник горячих спаев термоэлементов, блок управления, полученная электроэнергия через аккумулятор направляется к потребителям, при этом 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 тока термоэлементов для зарядки аккумулятора, а также переключения работы ТЭ на режим нагрева теплоаккумулирующей емкости. Известное устройство и способ его работы позволяют получать электроэнергию в весенне-летне-осеннее время круглосуточно.
Недостатками этого способа являются:
относительно низкая эффективность, поскольку поглощается только 42% солнечной радиации в ИК-диапазоне спектра и не используется 58% радиации видимой части спектра;
ограниченные возможности применения в зимнее время;
смесь кристаллогидратных солей или парафинов, используемая в качестве ТАМ для использования тепла ЭФП, вследствие химических взаимодействий между разными ТАМ и потери эффекта ЭФП не в полной мере выполняет свою функцию последовательного выделения тепловой энергии по мере охлаждения ТАМ в ночное время суток.
Задачей изобретения является разработка способа работы термоэлектрического генератора, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности, надежности и температурного и временного диапазона термоэлектрогенерации в условиях круглогодичной (в том числе зимней) и круглосуточной эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в способе работы термоэлектрического генератора первый теплоаккумулирующий материал (ТАМ1) в первой емкости поглощает и накапливает тепло за счет изменений температуры окружающей среды и тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП1) при температуре Т1 под действием изменений температуры окружающей среды, тепло передается через нижнюю поверхность первой емкости в первый блок термоэлементов (ТЭ1), далее через нижнюю сторону ТЭ1 передается на радиатор с пористым капиллярным веществом, которое испаряя/поглощая атмосферную влагу, понижает/повышает температуру радиатора, создавая градиент температур ΔT1, который преобразуется в ТЭ1 в термоэлектрический ток IТЭ1, который передается в блок управления, в котором ток переключается, стабилизируется, регулируется и заряжает аккумулятор, далее ток передается на инвертор, в котором преобразуется в переменный ток требуемой частоты, согласно изобретению используют дополнительно введенные солнечные батареи (СБ), солнечный коллектор (СК), имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность и наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью, вторую и третью емкости, наполненные соответственно вторым и третьим теплоаккумулирующими материалами ТАМ2 и ТАМ3, а также второй ТЭ2, третий ТЭ3 и четвертый ТЭ4 блоки ТЭ, причем СБ, с промежутками расположенные на верхней стороне СК, поглощают солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=200-800 нм и генерируют дополнительный ток IФЭ, а тепло нагрева СБ передается СК, понижая температуру СБ; внутренняя свето- и теплопоглощающая поверхность СК поглощает солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=800-3000 нм, прошедшую сквозь СБ и промежутки между ними, и нагревает незамерзающую, теплопроводящую рабочую жидкость, тепло которой через нижнюю теплопроводящую поверхность СК передается во второй блок термоэлементов (ТЭ2), создавая на нем градиент температур ΔТ2, который преобразуется в ток IТЭ2, далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ2 передается на вторую емкость, наполненную вторым ТАМ2 и нагревает его, которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП2) при температуре Т2, далее тепло ТАМ2 передается через нижнюю поверхность второй емкости в третий блок термоэлементов (ТЭ3), создавая на нем градиент температур ΔТ3, который преобразуется в ток IТЭ3, далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ3 передается на третью емкость, наполненную третьим ТАМ3 и нагревает его, которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП3) при температуре Т3, далее тепло ТАМ3 передается через нижнюю поверхность третьей емкости в четвертый блок термоэлементов (ТЭ4), создавая на нем градиент температур ΔT4, который преобразуется в ток IТЭ4, далее тепло передается на радиатор, а дополнительные токи IФЭ, IТЭ2, IТЭ3 и IТЭ4 по проводам передаются в блок управления.
Первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода, причем Т2>Т3>Т1.
Дополнительные токи получают от ЭФП «и» дополнительных емкостей с «n» ТАМ от градиентов температур на «n» блоках ТЭ.
Таким образом, технический результат достигается тем, что солнечные батареи эффективно охлаждаются рабочим веществом СК через его верхнюю поверхность, тем самым поддерживается высокий КПД СБ в жаркое время за счет отвода от них тепла на рабочее вещество СК. СБ круглогодично (в том числе и зимой) генерирует ток в светлое время суток. Далее через теплопередающее дно СК тепло передается на блок ТЭ2. Три емкости с теплоаккумулирующими материалами, имеющими разные температуры ЭФП Т1, Т2 и Т3 (причем Т2>Т3>Т1), при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней ТАМ в верхней емкости, испытывают ЭФП, поддерживая разность температур ΔT на блоках ТЭ, расположенных между ними. Четыре последовательно соединенных блока ТЭ выполняют функции составной термоэлектрической батареи, повышая КПД термоэлектрического генератора.
Радиатор с пористым капиллярным веществом, испаряет атмосферную влагу в жаркое время суток, тем самым создавая положительный (сверху вниз) градиент температур +ΔT. В холодное время пористое капиллярное вещество поглощает влагу, создавая отрицательный -ΔT (снизу вверх) градиент температур. И в том, и в другом случае эти градиенты используются для выработки электроэнергии.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема термоэлектрического генератора, реализующего предлагаемый способ, а на фиг. 2 представлены термоэлектрические напряжения UТЭ (мВ).
Цифрами на фиг. 1 обозначены:
1 - солнечные батареи,
2 - солнечный коллектор с медным нижним дном,
3 - незамерзающая, теплопроводящая жидкость,
4 - внутренняя свето-, теплопоглощающая и теплопередающая поверхность/дно солнечного коллектора,
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 содержит 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.
В термоэлектрический генератор 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.
Отличительной особенностью предлагаемого способа работы ТЭГ является то, что дополнительно введенные СБ 1 поглощают солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=200-800 нм и генерируют дополнительный ток IФЭ, а тепло нагрева СБ передается СК 2, понижая температуру СБ.
Внутренняя свето- и теплопоглощающая поверхность СК 4 поглощает солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=800-3000 нм, прошедшую сквозь СБ и промежутки между ними, и нагревает незамерзающую, теплопроводящую рабочую жидкость 3, тепло которой через нижнюю теплопроводящую поверхность СК передается во второй блок 6 термоэлементов (ТЭ2), создавая на нем градиент температур ΔТ2, который преобразуется в ток IТЭ2.
Далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ2 передается на вторую 10 дополнительную емкость, наполненную вторым 13 ТАМ2, и нагревает его, и которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП2) при температуре Т2, далее тепло ТАМ2 передается через нижнюю поверхность второй емкости 10 в третий блок 7 термоэлементов (ТЭ3), создавая на нем градиент температур ΔT3, который преобразуется в ток IТЭ3.
Далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ 7 передается на третью емкость 11, наполненную третьим ТАМ3, и нагревает его, и которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП3) при температуре T3.
Далее тепло ТАМ3 передается через нижнюю поверхность третьей емкости в четвертый 8 блок термоэлементов (ТЭ4), создавая на нем градиент температур ΔT4, который преобразуется в ток IТЭ4, далее тепло передается на радиатор.
Дополнительные токи IФЭ, IТЭ2, IТЭ3 и IТЭ4 по проводам передаются в блок управления.
Первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода, причем Т2>Т3>Т1.
Дополнительные токи получают от ЭФП «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ от градиентов температур на «n» блоках ТЭ.
Способ работы термоэлектрического генератора реализуют 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 и далее в аккумулятор 19. 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 и через теплопередающую нижнюю поверхность СК передается на верхнюю сторону блока ТЭ 6. К блоку ТЭ 6 снизу прикреплена вторая емкость 10, наполненная вторым ТАМ 13, и на перепаде температур +ΔT1 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 емкость 11, и на перепаде температур +ΔТ2 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 +ΔT3 между 11 и 9 вырабатывается электрический ток. К нижней стороне емкости 9 прикреплен блок ТЭ 5, к нижней стороне которого прикреплен самый холодный элемент - радиатор 15, и на перепаде температур +ΔT4 между поверхностями 9 и 15 вырабатывается электрический ток. Емкости 9, 10 и 11 наполнены ТАМ 12, 13 и 14, имеющим разные температуры ЭФП TК1, ТК2 и ТK3 (причем TK2>TK3>7K1), которые при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней, испытывают ЭФП, поддерживая разность температур ΔT 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. В холодное время суток и зимой возможна смена направлений градиентов температуры за счет того, что, например радиатор, закопанный в почву, будет иметь более высокую температуру, чем вышерасположенные емкости с ТАМ. Но в любом случае 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 градиентов ΔT на ТЭ и направляется в аккумулятор 19, а 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 ΔТ1 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 TK2=116°C возникает ЭФП с выделением тепла, что создает на блоке ТЭ 7 дополнительную разность температур ΔT2 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 (например, Na2S2O3⋅5H2O) с более низкой TK3=58°C на разности температур ΔТ3 между 11 и 9 в ТЭ 8. Наконец, возникает ЭФП в ТАМ 12 (например, в СаСl2⋅6Н2O) с самой низкой ТК1=29.7°C на разности температур ΔT4 в ТЭ 5 между емкостью 9 с ТАМ 12 и радиатором 15 с пористым веществом.
На фиг. 2. представлены термоэлектрические напряжения UTЭ (мВ), последовательно вырабатываемые термоэлементом марки ТЕС-127-1,4-2,5, контактирующим с поверхностями емкостей с ТАМ из гидратных солей MgCl2⋅6H2O, Na2S2O3⋅5H2O и СаСl2⋅6Н2O, испытывающими ЭФП при температурах соответственно ТK2=116°C, ТK3=58°C и ТК1=29.7°C. Как видно из графиков, все три ТАМ вырабатывают термоэлектрическое напряжение UТЭ (мВ), снижающееся после первоначального значения UТЭ (мВ)=750 мВ (после нагрева до 63°C). На 3-й минуте остывания наблюдается первый ЭФП в ТАМ MgCl2⋅6H2O (кривая 1), длившийся 7 минут и давший прирост UТЭ (мВ)=30 мВ. Затем, на 12-й минуте наблюдается второй ЭФП в ТАМ Na2S2O3⋅5H2O (кривая 2), длившийся 16 минут и давший прирост UТЭ (мВ)=50 мВ. Наконец, на 60-й минуте остывания наблюдается третий ЭФП в ТАМ СаСl2⋅6Н2O (кривая 3), длившийся 3 часа и давший прирост UТЭ (мВ)=200 мВ. Далее по мере остывания процесс генерации с UТЭ (мВ)=100 мВ продолжается еще два часа. Как видим, эффективности ТАМ разные (возможно в силу чистоты солей) и наиболее эффективной является последнее ТАМ. 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°C, по электрическим проводам 17 передается в контроллер 18 (например, марки Atmega или TRS61100PW) и направляется в аккумулятор 19 преимущественно щелочной, обладающий низким саморазрядом и далее передается в инвертор 20 для питания потребителей переменного тока нужной частоты.
Техническим результатом изобретения за счет охлаждения ФЭ солнечным коллектором, использования ТЭ между СК, емкостями и радиатором, использования трех разных ТАМ с разными температурам ЭФП, использования составной конструкции ТЭГ, использования пористого вещества радиатора, охлаждающегося при испарении и нагревающегося при поглощении атмосферной влаги, является повышение КПД до 15%, увеличение температурного и временного интервала работы ТЭГ в 1.5 раза.
При этом ТЭГ может быть применен и зимой. Например, в зимнее время при отрицательных температурах окружающей среды радиатор, закопанный в земле на глубине 3 м, где температура держится на уровне +5-+7°C или погруженный в воду (вода подо льдом имеет температуру ≈+4°C) способен создавать обратные градиенты температур на ТЭ, которые также будут генерировать ток.
Пример конкретного выполнения
Работа термоэлектрического генератора на гидратных солях MgCl2⋅6H2O, Na2S2O3⋅5H2O и СаСl2⋅6Н2O
Для демонстрации работы ТЭГ в ночное время суток были использованы соли MgCl2⋅6H2O, Na2S2O3⋅5H2O и СаСl2⋅6Н2O, испытывающие ЭФП при температурах соответственно TK2=116°C, TK3=58°C и TK1=29.7°C. Для исследований была использована установка, приведенная на фиг. 1. Верхняя поверхность СК была сделана из поликарбоната, на который были прикреплены через теплопроводящую пасту два солнечных модуля модели МСК-15 (размер 285×425×28 мм, UH=12 В, UXX=22 В, Uр=18 В, IK3=0.92 А, IP=0.83 A, WP=15 Вт, вес 1.9 кг, фотоэлементы - монокристалл). Освещение солнечных панелей осуществлялось 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, и лампой накаливания (100 Вт), обеспечивающей видимый и ИК-диапазон λ=800-3000 нм излучения Солнца с общей мощностью облучения 900 Вт/м2. Нижняя поверхность СК была медной, с внутренней стороны химически обработанной до окрашивания меди ее окислом CuO в черный цвет - свето-, теплопоглощающее покрытие. Поверхности ТЭ термопастой подсоединялись к медным поверхностям СК и емкостей с ТАМ - солями MgCl2⋅6H2O, Na2S2O3⋅5H2O и СаСl2⋅6Н2O, что обеспечивало на термоэлементах типа ТЕС-127 ток до 2 А (при градиенте ΔT=70°C).
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 напряжения UТЭ (мВ), предварительно полученной для каждого из ТАМ. Температура радиатора, обдуваемого вентилятором (моделирование потока ветра), поддерживалась при комнатной температуре Т≈20°C. В качестве аккумулятора использовался Li-ионный Siemens Ме45 на +6.5 В. В качестве преобразователя напряжения использовалась отечественная микросхема КР 1446ПН1 (на ток 100 мА).
Температура рабочего вещества (этиленгликоль) после 70 минут нагрева достигла 127°C и при остывании при 20°C окружающей среды и использовании термоэлементов типа ТБ 127-1,4-2,5, имеющих выходные характеристики UMAX (В)=16.3 В, ток IМАХ=3.7 А при перепаде температур ΔT≈70°C, ТЭГ обеспечил максимальную мощность РМАХ=37.4 ВА. Термоэлемент типа K1-241-1,4/1,1-GL-S с UMAX (В)=18 В, током LМАХ=5,5 А при перепаде температур ΔT≈70°C, обеспечивает максимальную мощность РMAX=99 ВА.
При работе ТЭГ в зимнее время ТЭ типа ТЕС-127-1,4-2,5 с температурой радиатора +4°C и окружающей среды - 12°C обеспечил напряжение UТЭ=3.6 В. Ток зарядки аккумулятора контролировался микроконтроллером ATMEGA8515L и передавался на инвертор DC/АС НТ-Е-100-12.
Таким образом, использование заявляемого способа работы ТЭГ позволит повысить эффективность, надежность и температурного, и временного диапазона термоэлектрогенерации в условиях круглогодичной (в том числе зимней) и круглосуточной эксплуатации, т.е. 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. Способ работы термоэлектрического генератора, по которому первый теплоаккумулирующий материал (ТАМ1) в первой емкости поглощает и накапливает тепло за счет изменений температуры окружающей среды и тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП1) при температуре T1 под действием изменений температуры окружающей среды, тепло передается через нижнюю поверхность первой емкости в первый блок термоэлементов (ТЭ1), далее через нижнюю сторону ТЭ1 передается на радиатор с пористым капиллярным веществом, которое, испаряя/поглощая атмосферную влагу, понижает/повышает температуру радиатора, создавая градиент температур ΔT1, который преобразуется в ТЭ1 в термоэлектрический ток IТЭ1, который передается в блок управления, в котором ток переключается, стабилизируется, регулируется и заряжает аккумулятор, далее ток передается на инвертор, в котором преобразуется в переменный ток требуемой частоты, отличающийся тем, что используют дополнительно введенные солнечные батареи (СБ), солнечный коллектор (СК), имеющий внутреннюю свето- и теплопоглощающую поверхность и наполненный незамерзающей, теплопроводящей жидкостью, вторую и третью емкости, наполненные соответственно вторым и третьим теплоаккумулирующими материалами ТАМ2 и ТАМ3, а также второй ТЭ2, третий ТЭ3 и четвертый ТЭ4 блоки ТЭ, причем СБ, с промежутками расположенные на верхней стороне СК, поглощают солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=200-800 нм и генерируют дополнительный ток IФЭ, а тепло нагрева СБ передается СК, понижая температуру СБ; внутренняя свето- и теплопоглощающая поверхность СК поглощает солнечную радиацию в диапазоне длин волн λ=800-3000 нм, прошедшую сквозь СБ и промежутки между ними, и нагревает незамерзающую, теплопроводящую рабочую жидкость, тепло которой через нижнюю теплопроводящую поверхность СК передается во второй блок термоэлементов (ТЭ2), создавая на нем градиент температур ΔT2, который преобразуется в ток IТЭ2, далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ2 передается на вторую емкость, наполненную вторым ТАМ2, и нагревает его, и которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП2) при температуре Т2, далее тепло ТАМ2 передается через нижнюю поверхность второй емкости в третий блок термоэлементов (ТЭ3), создавая на нем градиент температур ΔТ3, который преобразуется в ток IТЭ3, далее тепло через нижнюю поверхность ТЭ3 передается на третью емкость, наполненную третьим ТАМ3, и нагревает его, и которое при остывании выделяет дополнительное тепло экзотермического фазового перехода (ЭФП3) при температуре Т3, далее тепло ТАМ3 передается через нижнюю поверхность третьей емкости в четвертый блок термоэлементов (ТЭ4), создавая на нем градиент температур ΔТ4, который преобразуется в ток IТЭ4, далее тепло передается на радиатор, а дополнительные токи IФЭ, IТЭ2, IТЭ3 и IТЭ4 по проводам передаются в блок управления.
2. Способ работы термоэлектрического генератора по п. 1, отличающийся тем, что первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода, причем Т2>Т3>Т1.
3. Способ работы термоэлектрического генератора по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные токи получают от ЭФП «n» дополнительных емкостей с «n» ТАМ от градиентов температур на «n» блоках ТЭ.
RU2016104369A 2016-02-09 2016-02-09 Способ работы термоэлектрического генератора RU2626242C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016104369A RU2626242C1 (ru) 2016-02-09 2016-02-09 Способ работы термоэлектрического генератора

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016104369A RU2626242C1 (ru) 2016-02-09 2016-02-09 Способ работы термоэлектрического генератора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2626242C1 true RU2626242C1 (ru) 2017-07-25

Family

ID=59495773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016104369A RU2626242C1 (ru) 2016-02-09 2016-02-09 Способ работы термоэлектрического генератора

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2626242C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2764172C1 (ru) * 2021-04-15 2022-01-13 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") Способ автономного освещения при отрицательной температуре окружающей среды
RU2764126C1 (ru) * 2021-04-16 2022-01-13 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") Способ автономного освещения при отрицательной температуре окружающей среды
RU2805985C1 (ru) * 2023-05-12 2023-10-24 Общество с ограниченной ответственностью "Ботлихский радиозавод" Термоэлектрическое устройство для отвода теплоты от элементов РЭА

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA008117B1 (ru) * 2003-12-31 2007-04-27 Зао Международная Гелиоэнергетическая Компания "Интергелиоэкогалактика" Устройство термопреобразования солнечной энергии
RU134698U1 (ru) * 2013-07-16 2013-11-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Термоэлектрический автономный источник питания
RU135450U1 (ru) * 2013-07-16 2013-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Термоэлектрический генератор
US20140196764A1 (en) * 2013-01-14 2014-07-17 Cogenra Solar, Inc. Concentrating solar energy collector

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA008117B1 (ru) * 2003-12-31 2007-04-27 Зао Международная Гелиоэнергетическая Компания "Интергелиоэкогалактика" Устройство термопреобразования солнечной энергии
US20140196764A1 (en) * 2013-01-14 2014-07-17 Cogenra Solar, Inc. Concentrating solar energy collector
RU134698U1 (ru) * 2013-07-16 2013-11-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Термоэлектрический автономный источник питания
RU135450U1 (ru) * 2013-07-16 2013-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Термоэлектрический генератор

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2764172C1 (ru) * 2021-04-15 2022-01-13 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") Способ автономного освещения при отрицательной температуре окружающей среды
RU2764126C1 (ru) * 2021-04-16 2022-01-13 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") Способ автономного освещения при отрицательной температуре окружающей среды
RU2805985C1 (ru) * 2023-05-12 2023-10-24 Общество с ограниченной ответственностью "Ботлихский радиозавод" Термоэлектрическое устройство для отвода теплоты от элементов РЭА

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11316090B2 (en) Thermoelectric generator
Byon et al. Phase change material-integrated thermoelectric energy harvesting block as an independent power source for sensors in buildings
Byon et al. Annual energy harvesting performance of a phase change material-integrated thermoelectric power generation block in building walls
RU166483U1 (ru) Термоэлектрический генератор
US20120192910A1 (en) Dual path thermoelectric energy harvester
EP2150990A2 (en) Solar cell
Gürel Exergetic assessment of a concentrated photovoltaic thermal (CPV/T) system
Ajarostaghi et al. Solar energy conversion technologies: Principles and advancements
RU2626242C1 (ru) Способ работы термоэлектрического генератора
Sui et al. Theoretical and experimental evaluation of a thermoelectric generator using concentration and thermal energy storage
CN109524496A (zh) 一种基于储能温差发电的全时太阳能电池
Kang et al. Energy impact of heat pipe-assisted microencapsulated phase change material heat sink for photovoltaic and thermoelectric generator hybrid panel
Lee et al. Fundamental study of energy harvesting using thermoelectric effect on concrete structure in road
Tan Passive cooling of concentrated solar cells using phase change material thermal storage
Acır et al. Experimental investigation of a thermal energy storage unit integrated with thermoelectric generators under solar radiation
Wang et al. Efficient Power Conversion Using a PV-PCM-TE System Based on a Long Time Delay Phase Change With Concentrating Heat
CN107181459A (zh) 一种应用于太阳能电池板的土壤源换热系统
Tan et al. Sustainable thermoelectric power system using concentrated solar energy and latent heat storage
Raut et al. Recent developments in photovoltaic-thermoelectric combined system
RU134698U1 (ru) Термоэлектрический автономный источник питания
Abhishek et al. Water purification using solar thermal and solar PV
Mao et al. Enhancement of power generation of thermoelectric generator using phase change material
RU135450U1 (ru) Термоэлектрический генератор
Rejab et al. Rooftop and Attic Area Thermal Energy from Solar Radiation as Renewable Energy in Malaysia
Kamanzi Thermal electric solar power conversion panel development

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180210