RU2650758C1

RU2650758C1 - Compact thermoelectric generator

Info

Publication number: RU2650758C1
Application number: RU2017107222A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2018-04-17

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: present invention relates to heat power engineering and can be used to convert thermal energy into electrical energy. Compact thermoelectric generator comprising a housing closed by a removable cover made of a dielectric material with a high thermal conductivity, at the same time the housing is provided with an end hole and is rigidly connected to the nut in which the clamping bolt is located, the removable cover is provided at opposite ends with pole collectors, inside the body, in sequence starting from the end face with a clamping bolt, there is a pressure plate made of a strong dielectric material and parallel plates made of a dielectric material with a high thermal conductivity, the surfaces of each pair of plates are alternately covered with G-shaped stripes of foil of different metals M1 and M2, that form a thermionic element, each is connected with one other, forming a thermoelectric section, and when the housing is closed with a removable cover, the lower ends of the pole collectors are pressed against the upper ends of the extreme thermionic elements, tight connection of the upper and lower joints is achieved by rotating the clamping bolt moving the clamping plate or by installing an elastic element in the space between the end face of the casing and the clamping plate.

EFFECT: technical result consists in increasing the efficiency, which is ensured by the compactness of the design, by reducing the consumption of metals M1 and M2, by simplifying the manufacture and by reducing the weight.

3 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для трансформации тепловой энергии в электрическую при отсутствии источников электроснабжения.The present invention relates to a power system and can be used to transform thermal energy into electrical energy in the absence of power sources.

Известен термоэлектрический преобразователь термоэмиссионной системы электроснабжения здания, состоящий из прямоугольного полого корпуса, выполненного из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, армированного контурной арматурой, между крышкой и днищем которого имеется замкнутая воздушная полость, контурная арматура состоит из элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2 и спаянные на концах между собой, образующие зигзагообразные ряды, устроенные таким образом, что левые и правые части проволочных отрезков со спаянными концами согнуты под углом 90º и располагаются в слоях материала-диэлектрика крышки и днища параллельно их поверхности, не касаясь ее, а средние части парных проволочных отрезков расположены в воздушной полости, крайние проволочные отрезки крайних зигзагообразных рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором [Патент РФ №2499107, МКП E04 C2/26, 2013].Known thermoelectric Converter thermionic power supply system of the building, consisting of a rectangular hollow body made of a dielectric material with high thermal conductivity, reinforced with contour reinforcement, between the cover and the bottom of which there is a closed air cavity, contour reinforcement consists of elements representing a pair of wire segments made of different metals M1 and M2 and welded together at the ends, forming zigzag rows arranged in such a way that the upper and right parts of the wire segments with soldered ends are bent at an angle of 90 ° and are located in the layers of dielectric material of the cover and the bottom parallel to their surface, without touching it, and the middle parts of the pair of wire segments are located in the air cavity, the extreme wire segments of the extreme zigzag rows are connected to unipolar collectors of electric charges, which, in turn, are connected to an electric battery [RF Patent No. 2499107, MKP E04 C2 / 26, 2013].

Основным недостатком известного термоэлектрического преобразователя термоэмиссионной системы электроснабжения здания является зигзагообразная компоновка термоэмиссионных элементов с изгибом их спаев под углом 90º, обусловленное этим малое количество термоэмиссионных элементов на единице его площади и низкая удельная производительность по выработке термоэлектричества, что снижает его эффективность.The main disadvantage of the known thermoelectric converter of the building's thermionic power supply system is a zigzag arrangement of thermionic elements with a bend of their junctions at an angle of 90º, which is caused by the small number of thermionic elements per unit area and low specific productivity for generating thermoelectricity, which reduces its efficiency.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является универсальный термоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, выполненный из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, оребренный с противоположных сторон параллельными ребрами, образующими между собой пазы, изнутри армированный контурной арматурой, которая состоит из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные параллельные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, изолированные друг от друга по длине тонким слоем материала-диэлектрика, спаянные на концах между собой, образующие ряды, устроенные таким образом, что левые и правые части спаянных концов проволочных отрезков со спаянными концами располагаются в слоях материала-диэлектрика параллельных ребер параллельно их боковой поверхности, не касаясь ее, а средние части проволочных отрезков расположены в массиве материала-диэлектрика корпуса, ряды соединены между собой перемычками, крайние проволочные отрезки крайних рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором, причем в пазах между ребрами размещена решетка, состоящая из рамки с продольными полосами, зеркально отражающая пазы корпуса, выполненная из материала с высокой теплопроводностью [Патент РФ №2575769, МКП Н01 L35/02, 2016].Closer in technical essence to the present invention is a universal thermoelectric converter comprising a housing made of a dielectric material with high thermal conductivity, ribbed on opposite sides by parallel ribs forming grooves between themselves, internally reinforced by contour reinforcement, which consists of thermionic elements, which are paired parallel wire segments made of different metals M1 and M2, isolated from each other by a thin length a dielectric material soldered at the ends between themselves, forming rows arranged in such a way that the left and right parts of the soldered ends of the wire segments with soldered ends are located in the layers of the dielectric material parallel to the ribs parallel to their side surface, without touching it, and the middle parts wire segments are located in the array of dielectric material of the case, the rows are connected by jumpers, the extreme wire segments of the extreme rows are connected to unipolar collectors of electric charges, which They are, in turn, connected to an electric battery, and in the grooves between the ribs there is a grating consisting of a frame with longitudinal stripes that mirror the grooves of the housing made of a material with high thermal conductivity [RF Patent No. 2575769, MKP N01 L35 / 02, 2016 ].

Основными недостатками известного универсального термоэлектрического преобразователя являются высокий расход металлов М1 и М2 для изготовления термоэмиссионных элементов, определяющий значительный вес устройства, сложность их изготовления, обусловленная необходимостью заготовки проволочных отрезков, сплющивания и спайки их концов, что повышает стоимость и, таким образом, снижает его эффективность.The main disadvantages of the known universal thermoelectric converter are the high consumption of metals M1 and M2 for the manufacture of thermionic elements, which determines the significant weight of the device, the complexity of their manufacture, due to the need to prepare wire segments, flattening and soldering their ends, which increases the cost and, thus, reduces its effectiveness .

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности, которое заключается в том, что конструкция компактного термоэлектрического генератора обеспечивает значительное снижение расхода металлов М1 и М2 на изготовление термоэмиссионных элементов, упрощает изготовление и снижает вес устройства. The technical result of the invention is to increase the efficiency, which consists in the fact that the design of a compact thermoelectric generator provides a significant reduction in the consumption of metals M1 and M2 for the manufacture of thermionic elements, simplifies the manufacture and reduces the weight of the device.

Технический результат достигается компактным термоэлектрическим генератором, содержащим корпус, закрытый съемной крышкой, выполненной, как и корпус, из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, при этом корпус снабжен с торца отверстием и жестко соединен с гайкой, в которой расположен прижимной болт, съемная крышка снабжена на противоположных концах полюсными коллекторами, внутри корпуса по порядку, начиная от торца с прижимным болтом, расположены прижимная плита, выполненная из прочного диэлектрического материала, и установленные параллельно ей пластины, выполненные из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, поверхности каждой пары пластин поочередно покрыты Г-образно полосами фольги разных металлов М1 и М2 таким образом, чтобы верхний короткий конец буквы Г одной пластины был прижат к нижнему концу длинной стороны этой буквы следующей пластины, образуя термоэмиссионный элемент, каждый из которых ен между собой таким же образом, образуя термоэлектрическую секцию, причем при закрытии корпуса съемной крышкой нижние концы полюсных коллекторов прижимаются к верхним концам крайних термоэмиссионных элементов, плотное соединение верхних и нижних стыков которых достигается вращением прижимного болта, перемещающего прижимную плиту, или установкой упругого элемента в пространстве между торцом корпуса и прижимной плитой. The technical result is achieved by a compact thermoelectric generator, comprising a housing closed by a removable cover made, like the housing, of a dielectric material with high thermal conductivity, the housing provided with an end hole and rigidly connected to a nut in which the pressure bolt is located, the removable cover is provided at opposite ends by pole collectors, inside the case, in order, starting from the end face with the pressure bolt, there is a pressure plate made of durable dielectric material, and plates parallel to it, made of a dielectric material with high thermal conductivity, the surfaces of each pair of plates are alternately covered with L-shaped foil strips of different metals M1 and M2 so that the upper short end of the letter G of one plate is pressed to the lower end of the long side of this letter of the next plates, forming a thermionic element, each of which is interconnected in the same way, forming a thermoelectric section, and when closing the case with a removable cover, the lower ends of the pole collector s are pressed to the upper ends of the extreme thermionic elements, the tight connection of the upper and lower joints of which is achieved by rotating the clamping bolt moving the pressure plate, or by installing an elastic element in the space between the end of the housing and the pressure plate.

На фиг. 1-5 представлен предлагаемый компактный термоэлектрический генератор (КТЭГ): на фиг. 1, 2 - общий вид и разрез КТЭГ, на фиг. 3 - узел стыковки термоэмиссионных преобразователей (ТЭП), на фиг.4, 5 - устройство термоэмиссионного преобразователя.In FIG. 1-5 presents the proposed compact thermoelectric generator (CTEG): in FIG. 1, 2 is a general view and section of a CTEG, in FIG. 3 - node docking thermionic converters (TEC), figure 4, 5 - device thermionic converter.

Предлагаемый компактный термоэлектрический генератор (КТЭГ) содержит корпус 1, закрытый съемной крышкой 2, выполненной, как и корпус, из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, корпус 1 снабжен с торца отверстием 3 и жестко соединен с гайкой 4, в которой расположен прижимной болт 5, съемная крышка 2 снабжена на противоположных концах полюсными коллекторами 6, 7 внутри корпуса 1 по порядку, начиная от торца с прижимным болтом 5, расположены прижимная плита 8, выполненная из прочного диэлектрического материала, и установленные параллельно ей пластины 9, выполненные из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, поверхности каждой пары пластин 9 поочередно покрыты Г-образно полосами фольги разных металлов М1 и М2 таким образом, чтобы верхний короткий конец буквы Г одной пластины 9 был прижат к нижнему концу длинной стороны этой буквы следующей пластины 9, образуя термоэмиссионный элемент (ТЭЭ) 10, которые соединены между собой таким же образом, образуя термоэлектрическую секцию ТЭС 11 ТЭГ (такая конструкция ТЭЭ 10 принята для того, чтобы снизить расход металлов М1 и М2, увеличить поверхность теплопередачи, уменьшить толщину элементов ТЭЭ 10 и, таким образом, интенсифицировать скорость их нагрева и охлаждения), причем при закрытии корпуса 1 крышкой 2 нижние концы полюсных коллекторов 6, 7 прижимаются к верхним концам крайних ТЭЭ 10, а плотное соединение верхних и нижних стыков ТЭЭ 10 ТЭС 11 достигается вращением прижимного болта 5, перемещающего прижимную плиту 8, или установкой упругого элемента в пространстве между торцом корпуса 1 и прижимной плитой 8 (на фиг. 1-5 не показан). The proposed compact thermoelectric generator (CTEG) contains a housing 1, closed by a removable cover 2, made, like the housing, from a dielectric material with high thermal conductivity, the housing 1 is provided with an opening 3 from the end and is rigidly connected to a nut 4, in which there is a clamping bolt 5 , the removable cover 2 is provided at opposite ends with pole collectors 6, 7 inside the housing 1 in order, starting from the end with the pressure bolt 5, there is a pressure plate 8 made of durable dielectric material, and installed parallel but she has plates 9 made of a dielectric material with high thermal conductivity, the surfaces of each pair of plates 9 are alternately covered with L-shaped foil strips of different metals M1 and M2 so that the upper short end of the letter G of one plate 9 is pressed against the lower end of the long side of this the letters of the next plate 9, forming a thermionic element (TEE) 10, which are interconnected in the same way, forming a thermoelectric section of TES 11 TEG (this design TEE 10 is adopted in order to reduce the consumption of metals M1 M2, increase the heat transfer surface, reduce the thickness of the elements of the TEEC 10 and, thus, intensify the speed of their heating and cooling), and when the housing 1 is closed with a cover 2, the lower ends of the pole collectors 6, 7 are pressed against the upper ends of the extreme TEE 10, and the tight connection of the upper and the lower joints of the TEE 10 of the TPP 11 is achieved by rotating the clamping bolt 5, which moves the clamping plate 8, or by installing an elastic element in the space between the end face of the housing 1 and the clamping plate 8 (in FIG. 1-5 not shown).

В основу работы предлагаемого КТЭГ положено следующее. Так как ряд ТЭС 11 состоят из отдельных термоэмиссионных элементов (ТЭЭ) 10, выполненных из парных пластин 9, поочередно покрытых Г-образно полосами фольги разных металлов М1 и М2, соединенными между собой, то при нагреве (охлаждении) одних концов пластин 9 ТЭП 10 с одной стороны и охлаждении (нагреве) противоположных им концов, на них устанавливаются разные температуры и в зоне контакта металлов М1 и М2 происходит термическая эмиссия электронов, в результате чего в ряду ТЭС 11 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М.: Наука, 1970, с. 502-506].The proposed CTEG is based on the following. Since a number of TPPs 11 consist of separate thermionic elements (TEE) 10 made of paired plates 9, alternately covered with a L-shaped foil stripes of different metals M1 and M2, interconnected, when heating (cooling) one ends of the plates 9 TEP 10 on the one hand and cooling (heating) of the ends opposite them, different temperatures are set on them and thermal emission of electrons occurs in the contact zone of metals M1 and M2, as a result of which thermoelectricity appears in a series of thermal power plants 11 [S.G. Kalashnikov. Electricity. - M .: Nauka, 1970, p. 502-506].

Перед началом работы КТЭГ корпус 1 закрывают крышкой 2 таким образом, чтобы нижние концы полюсных коллекторов 6, 7 были надежно прижаты к верхним концам крайних ТЭЭ 10, что достигается замковым соединением корпуса 1 и крышки 2 (на фиг. 1-5 не показан), и обеспечивают плотное соединение верхних и нижних стыков ТЭП 10 в ряду ТЭС 11 вращением прижимного болта 5, перемещающего прижимную плиту 8, прижимающей пластины 9 и, соответственно, ТЭЭ 10 друг к другу, или установкой упругого элемента в пространстве между торцом корпуса 1 и прижимной плитой 8 (на фиг. 1-–5 не показан). Before starting the CTEG operation, the housing 1 is closed with a cover 2 so that the lower ends of the pole collectors 6, 7 are firmly pressed against the upper ends of the extreme TEE 10, which is achieved by the lock connection of the housing 1 and cover 2 (not shown in Fig. 1-5), and provide a tight connection of the upper and lower joints of the TEC 10 in the series of TPPs 11 by rotating the clamping bolt 5, which moves the pressure plate 8, the pressure plate 9 and, accordingly, the TEE 10 to each other, or by installing an elastic element in the space between the end face of the housing 1 and the pressure plate 8 (in Fig. 1-– 5 is not shown).

КТЭГ работает следующим образом. При соприкосновении днища корпуса 1 с холодной средой, а крышки 2 противоположной стороны с горячей средой (или наоборот) концы термоэмиссионных элементов 10 с одной стороны охлаждаются, а с противоположной стороны нагреваются, на них устанавливаются разные температуры, происходит процесс передачи тепла от горячей среды к холодной по пластинам 9 и фольге металлов М1 и М2. При этом одновременно с процессом теплопередачи в результате разности температур охлажденных и нагретых концов ТЭС 10 в ряду ТЭС 11 появляется термоэлектричество, которое через однополюсные коллекторы электрических зарядов 6 и 7 поступает в преобразователь и аккумулятор (на фиг. 1-5 не показаны) и откуда подается потребителю. При этом, если требуется большая мощность электричества, используются несколько КТЭГ, соединенных последовательно или параллельно. CTEG works as follows. When the bottom of the housing 1 is in contact with a cold medium, and the covers 2 of the opposite side with a hot medium (or vice versa), the ends of the thermionic elements 10 are cooled on the one hand and heated on the opposite side, different temperatures are set on them, the process of heat transfer from the hot medium to cold on plates 9 and metal foil M1 and M2. In this case, simultaneously with the heat transfer process, as a result of the temperature difference between the cooled and heated ends of the TPP 10, thermoelectricity appears in the series of TPP 11, which through single-pole collectors of electric charges 6 and 7 enters the converter and battery (not shown in Fig. 1-5) and from where to the consumer. Moreover, if a large power of electricity is required, several CTEGs are used, connected in series or in parallel.

Величина разности электрического потенциала на коллекторах 6 и 7 и сила электрического тока зависят от характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлена их фольга, и ее толщины, числа ТЭЭ 10 в ряду ТЭС 11 и их числа КТЭГ, разности температур на противоположных концах ТЭЭ 10. Полученный электрический ток из одиночного КТЭГ можно использовать для подзарядки гаджетов - мобильных телефонов, айфонов, плэйеров и тому подобных устройств, в условиях отсутствия электроснабжения (например, при кипячении воды на костре, поместив его на дно емкости с подогреваемой водой или положив его на освещаемый солнцем участок льда или снега). При компоновке множества КТЭГ в одну теплообменную поверхность, полученный электрический ток можно использовать для самых различных целей (освещения зданий, горячего водоснабжения, зарядки автомобильных аккумуляторов, электроснабжения космических и подводных аппаратов и пр.) при условии наличия сред или поверхностей с различными температурами.The magnitude of the difference in electric potential on collectors 6 and 7 and the strength of the electric current depend on the characteristics of the pairs of metals M1 and M2 of which their foil is made, and its thickness, the number of TEEs 10 in the series of TPPs 11 and their number of CTEGs, and the temperature differences at opposite ends of the TEEs 10. The resulting electric current from a single CTEG can be used to recharge gadgets - mobile phones, iPhones, players and the like, in the absence of power supply (for example, when boiling water on a fire, placing it on the bottom of the tank with heated water or laying it on a piece of ice or snow illuminated by the sun). When assembling multiple CTEGs into one heat-exchange surface, the resulting electric current can be used for a wide variety of purposes (lighting buildings, hot water supply, charging car batteries, powering space and underwater vehicles, etc.), provided that there are media or surfaces with different temperatures.

Таким образом, предлагаемое изобретение в результате использования термоэмиссионных элементов, изготовленных из пластин, выполненных из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, поверхности которых поочередно покрыты Г-образно полосами фольги разных металлов М1 и М2, наряду с получением электрической энергии обеспечивает значительное снижение расхода металлов М1, М2, соответственно снижение веса и упрощение конструкции, что увеличивает эффективность компактного термоэлектрического генератора.Thus, the present invention as a result of the use of thermionic elements made of plates made of dielectric material with high thermal conductivity, the surfaces of which are alternately covered with L-shaped foil strips of different metals M1 and M2, along with the generation of electrical energy, provides a significant reduction in the consumption of metals M1, M2, respectively, reducing weight and simplifying the design, which increases the efficiency of a compact thermoelectric generator.

Claims

1. A compact thermoelectric generator containing a housing filled with a number of thermionic elements interconnected, made of plates made of a dielectric material with high thermal conductivity, wrapped in foil strips of different metals M1 and M2, forming a thermoelectric section equipped with pole collectors, characterized in that the housing is closed by a removable cover made of a dielectric material with high thermal conductivity, provided with an end hole and is rigidly connected to a nut with a pressure bolt ohm, the pole collectors are located at opposite ends of the removable cover, inside the case, in order, starting from the end with the pressure bolt, there is a pressure plate made of durable dielectric material, and parallel to it are plates, the surfaces of each pair of plates are alternately covered with L-shaped stripes of foil of different metals M1 and M2 so that the upper short end of the letter G of one plate is tightly pressed to the lower end of the long side of this letter of the next plate, forming a thermionic element, and and closing the case with a removable cover, the lower ends of the pole collectors are pressed against the upper ends of the extreme thermionic converters.

2. The compact thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the tight connection of the upper and lower joints of the thermionic elements is achieved by rotating the clamping bolt moving the clamping plate.

3. The compact thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that a tight connection of the upper and lower joints of the thermionic elements is achieved by installing an elastic element in the space of the housing between the end of the housing and the pressure plate.