RU2755980C1 - Thermoelectric generator with forced cooling system - Google Patents

Thermoelectric generator with forced cooling system Download PDF

Info

Publication number
RU2755980C1
RU2755980C1 RU2020132666A RU2020132666A RU2755980C1 RU 2755980 C1 RU2755980 C1 RU 2755980C1 RU 2020132666 A RU2020132666 A RU 2020132666A RU 2020132666 A RU2020132666 A RU 2020132666A RU 2755980 C1 RU2755980 C1 RU 2755980C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cooling system
thermoelectric
plate
forced cooling
radiators
Prior art date
Application number
RU2020132666A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Сергеевич Вохмин
Фидан Фазитович Хабиров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Башкирский государственный аграрный университет"
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 образования "Башкирский государственный аграрный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Башкирский государственный аграрный университет"
Priority to RU2020132666A priority Critical patent/RU2755980C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2755980C1 publication Critical patent/RU2755980C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

FIELD: electric power.SUBSTANCE: invention relates to apparatuses for converting thermal power into electrical power. The thermoelectric generator with a forced cooling system, converting the heat of the exhaust gases of thermal units, is comprised of thermoelectric modules, the amount whereof depends on the value of the required voltage and current, and a plate abutting the outer surface of the stack. Cooling radiators are attached to the plate. The cooling radiators of the thermoelectric module cooling system have a forced cooling system with a temperature sensor, a control unit, and a recirculation pump. The components of the plate are attached to the stack, e.g., using a bolted connection.EFFECT: increase in the performance coefficient due to the increased operating efficiency of the cooling system.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим генераторам, а именно к устройствам по преобразованию тепловой энергии в электрическую с целью повышения энергетической эффективности тепловых источников.The invention relates to electric generators, and in particular to devices for converting thermal energy into electrical energy in order to increase the energy efficiency of heat sources.

Изобретение может найти широкое применение на предприятиях АПК, при утилизации тепла дымовых газов, тепла солнечных коллекторов, геотермальных источников, водной поверхности водоемов, рек, озер, морей, отдельных бытовых трубопроводов, дымоотводных труб и емкостей с горячей водой и другими теплоносителями, и служащего для электропитания светового освещения, средств связи, устройств оповещения и сигнализации, а также различных контрольно-измерительных приборов.The invention can be widely used in agricultural enterprises, when utilizing heat from flue gases, heat from solar collectors, geothermal sources, the water surface of reservoirs, rivers, lakes, seas, individual household pipelines, chimneys and containers with hot water and other heat carriers, and serves for power supply for light lighting, communication facilities, warning and signaling devices, as well as various control and measuring devices.

Известен термоэлектрический генератор (ТЭГ), содержащий теплоприемник, к которому с помощью прижимного блока крепятся термоэлектрические батареи и радиаторы (Патент РФ №2305347 от 27.08.2007, МПК H01L 35/30, опубл. 27.08.2007, бюл. №24).Known thermoelectric generator (TEG), containing a heat receiver, to which with the help of a clamping unit are attached thermoelectric batteries and radiators (RF Patent No. 2305347 from 27.08.2007, IPC H01L 35/30, publ. 27.08.2007, bull. No. 24).

Однако известное устройство имеет недостаток, который заключается в том, что имеет низкоэффективную систему охлаждения, что приводит к уменьшению КПД устройства.However, the known device has the disadvantage that it has a low-efficiency cooling system, which leads to a decrease in the efficiency of the device.

Известен термоэлектрический генератор (Патент РФ №150186 от 10.02.2015, МПК H01L 35/28, опубл. 10.02.2015, бюл. №4), содержащий термоэлектрические модули (ТЭМ), установленные тепловоспринимающей стороной на боковой стороне корпуса отопительной бытовой печи, на противоположной стороне ТЭМ укрепляются воздушные радиаторы с естественной циркуляцией воздуха. Однако и данное устройство имеет свой недостаток, малоэффективную систему охлаждения, из-за чего охлаждающая сторона не успевает охлаждаться.Known thermoelectric generator (RF Patent No. 150186 dated 02/10/2015, IPC H01L 35/28, publ. 02/10/2015, bulletin No. 4), containing thermoelectric modules (TEM), installed by the heat-receiving side on the side of the housing of a heating household furnace, on air radiators with natural air circulation are strengthened on the opposite side of the TEM. However, this device also has its own drawback, an ineffective cooling system, due to which the cooling side does not have time to cool down.

Технической задачей изобретения является улучшение системы охлаждения термоэлектрического генератора, что приводит к повышению термоэлектрического КПД устройства.The technical objective of the invention is to improve the cooling system of a thermoelectric generator, which leads to an increase in the thermoelectric efficiency of the device.

Техническая задача достигается тем, что в термоэлектрическом генераторе с принудительной системой охлаждения, преобразующем тепло уходящих газов тепловых установок, включающем в себя термоэлектрические модули, количество которых зависит от величины требуемого напряжения и тока, пластину для прилегания на наружной поверхности дымовой трубы, на которой установлен датчик температуры, подсоединенный к блоку управления, к термоэлектрическим модулям прикреплены охлаждающие радиаторы, охлаждающие радиаторы системы охлаждения термоэлектрических модулей имеют принудительную систему охлаждения с рециркуляционным насосом, причем блок управления регулирует скорость течения хладоносителя в системе охлаждения при помощи рециркуляционного насоса.The technical problem is achieved by the fact that in a thermoelectric generator with a forced cooling system that converts the heat of exhaust gases of thermal installations, which includes thermoelectric modules, the number of which depends on the value of the required voltage and current, a plate for adjoining on the outer surface of the chimney, on which the sensor is installed temperature connected to the control unit, cooling radiators are attached to the thermoelectric modules, the cooling radiators of the cooling system of thermoelectric modules have a forced cooling system with a recirculation pump, and the control unit regulates the flow rate of the coolant in the cooling system using a recirculation pump.

Предложенное устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - вид сверху.The proposed device is illustrated by drawings. FIG. 1 shows a general view of the device, FIG. 2 is a top view.

Термоэлектрический генератор с принудительной системой охлаждения, преобразующий тепло уходящих газов тепловых установок включает в себя термоэлектрические модули 1, количество которых зависит от величины требуемого напряжения и тока, пластину 2, прилегающую к наружной поверхности дымовой трубы 3. К пластине 2 прикреплены охлаждающие радиаторы 4. Охлаждающие радиаторы 4 системы охлаждения термоэлектрических модулей 1 имеют принудительную систему охлаждения 5 с рециркуляционным насосом 9 и блоком управления 8. Составные части пластины 2 закреплены на дымовой трубе 3, например, при помощи болтового соединения 6. На пластине 2 установлен датчик температуры 7, соединенный с блоком управления 8.A thermoelectric generator with a forced cooling system that converts the heat of exhaust gases from thermal installations includes thermoelectric modules 1, the number of which depends on the required voltage and current, plate 2 adjacent to the outer surface of the chimney 3. Cooling radiators are attached to plate 2 4. Cooling radiators 4 of the cooling system of thermoelectric modules 1 have a forced cooling system 5 with a recirculation pump 9 and a control unit 8. The components of plate 2 are fixed to the chimney 3, for example, by means of a bolt connection 6. The plate 2 has a temperature sensor 7 connected to the block management 8.

Термоэлектрический генератор с принудительной системой охлаждения работает следующим образом.A thermoelectric generator with a forced cooling system works as follows.

При прохождении дымовых газов по дымовой трубе 3, тепло передается через стенки пластине 2. Теплота поступает на горячую сторону термоэлектрического модуля 1. К пластине 2 крепится датчик температуры 7, сигнал от которого поступает на блок управления 8, который регулирует скорость течения хладоносителя в системе охлаждения 5 при помощи рециркуляционного насоса 9 для создания необходимой разности температур на стенках термоэлектрических модулей.When flue gases pass through the chimney 3, heat is transferred through the walls to plate 2. Heat is supplied to the hot side of the thermoelectric module 1. Temperature sensor 7 is attached to plate 2, the signal from which is sent to the control unit 8, which regulates the flow rate of the coolant in the cooling system 5 using a recirculation pump 9 to create the required temperature difference on the walls of thermoelectric modules.

Пластина 2, изготовленная, например, из меди, обеспечивает низкое термическое сопротивление, что позволяет максимально эффективно подвести тепло к термоэлектрическому модулю 1 для дальнейшего получения электрической энергии постоянного тока с максимально возможным коэффициентом преобразования. Для повышения разницы температур между горячей и холодной поверхностями термоэлектрического модуля 1 и увеличения коэффициента преобразования тепловой энергии в электрическую энергию используется принудительная система охлаждения 5. Хладоноситель циркулирует по охлаждающим радиаторам 4. Данный термоэлектрический генератор можно установить на дымовые трубы различных размеров и форм.Plate 2, made, for example, of copper, provides low thermal resistance, which allows the most efficient heat supply to thermoelectric module 1 for further production of direct current electrical energy with the maximum possible conversion coefficient. To increase the temperature difference between the hot and cold surfaces of thermoelectric module 1 and increase the coefficient of conversion of thermal energy into electrical energy, a forced cooling system is used 5. The coolant circulates through cooling radiators 4. This thermoelectric generator can be installed on chimneys of various sizes and shapes.

Предлагаемая конструкция охлаждающих радиаторов будет обеспечивать более эффективную работу системы охлаждения для повышения КПД устройства. Для подтверждения утверждения о повышении КПД термоэлектрического генератора с принудительной системой охлаждения, с оценкой влияния на него различных факторов можно применить формулу расчета, предложенную А.Ф. Иоффе (Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.-Л.: Изд-во АН СССР. 1960 г.; Термоэлектрические генераторы. М.: Атомиздат, 1976 г.).The proposed design of cooling radiators will ensure more efficient operation of the cooling system to increase the efficiency of the device. To confirm the statement about increasing the efficiency of a thermoelectric generator with a forced cooling system, with an assessment of the influence of various factors on it, one can apply the calculation formula proposed by A.F. Ioffe (Ioffe A.F. Semiconductor thermoelements. M.-L .: Publishing house of the Academy of Sciences of the USSR. 1960; Thermoelectric generators. M .: Atomizdat, 1976).

Выражение для определения значения КПДExpression for determining the value of efficiency

Figure 00000001
Figure 00000001

где T1 - температуры горячей стороны ТЭГ, т.е. температура дымовых газов, принимаем равной 120°С; (Особенности теплового и эксергетического расчета котлоагрегатов ТЭС: учебное пособие / Батухтин А.Г. Пинигин В.В. - Москва: Изд-во Академия Естествознания, 2013 г.).where T 1 is the temperature of the TEG hot side, i.e. flue gas temperature, we take equal to 120 ° С; (Features of thermal and exergy calculation of TPP boilers: a tutorial / A.G. Batukhtin, V.V. Pinigin - Moscow: Academy of Natural Sciences Publishing House, 2013).

T0 - температуры холодной стороны ТЭГ, принимаем равной температуре подпиточной воды T0 = 15°С; (СП 89.13330.2016 Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП 11-35-76).T 0 - temperatures of the cold side of the TEG, taken equal to the temperature of the make-up water T 0 = 15 ° C; (SP 89.13330.2016 Boiler plants. Updated edition of SNiP 11-35-76).

М - оптимальная для режима максимального КПД величина отношения полезной нагрузки к внутреннему сопротивлению ТЭГ, характеризующая меру необратимых потерь в термоэлементе.M is the optimal value of the ratio of the payload to the internal resistance of the TEG for the maximum efficiency mode, which characterizes the measure of irreversible losses in the thermoelement.

Figure 00000002
Figure 00000002

где Z - добротность, комплексный критерий, определяющий качество применяемого термоэлектрического материала, К-1; Z = 0,0005 К-1 (Исследование основных характеристик термоэлектрического охладителя и генератора: лаб. практикум / В.Н. Белозерцев [и др.]. - Самара: Изд-во СГАУ, 2015 г.).where Z - figure of merit, a complex criterion that determines the quality of the applied thermoelectric material, K -1 ; Z = 0.0005 K -1 (Study of the main characteristics of a thermoelectric cooler and generator: laboratory workshop / VN Belozertsev [and others]. - Samara: SSAU Publishing House, 2015).

Первый множитель для определения КПД, как видно из (1), представляет собой термодинамический КПД обратимого процесса (цикл Карно), второй показывает снижение его в результате необратимых потерь на теплопроводность и джоулево тепло.The first factor for determining the efficiency, as seen from (1), is the thermodynamic efficiency of a reversible process (Carnot cycle), the second shows its decrease as a result of irreversible losses for thermal conductivity and Joule heat.

Первый множитель выражения (1) представляет собой КПД цикла Карно, который обозначим как ηк=(T1-T0)/T1=(120-15)/120=0,085, второй - как КПД термоэлектрического преобразования ηТП=(М-1)/(М+T0/T1)=(3,84-1)/(3,84+15/120)=0,71. Тогда для удобства анализа выражение для КПД ТЭГ запишем как произведениеThe first factor of expression (1) is the efficiency of the Carnot cycle, which we denote as η к = (T 1 -T 0 ) / T 1 = (120-15) / 120 = 0.085, the second - as the efficiency of thermoelectric conversion η ТП = (М -1) / (M + T 0 / T 1 ) = (3.84-1) / (3.84 + 15/120) = 0.71. Then, for the convenience of analysis, we write the expression for the TEG efficiency as the product

Figure 00000003
Figure 00000003

Из (1) и (2) видно, что чем больше М по сравнению с единицей, т.е. чем больше Z и средняя температура холодного и горячего спаев 0,5(T1+T0), тем меньше необратимое снижение КПД. Повышение температуры горячих спаев и снижение ее на холодных спаях увеличивает КПД не только из-за увеличения КПД цикла Карно, но и в результате роста М при данном значении Z.From (1) and (2) it can be seen that the larger M is compared to unity, i.e. the more Z and the average temperature of the cold and hot junctions 0.5 (T 1 + T 0 ), the less the irreversible decrease in efficiency. An increase in the temperature of hot junctions and a decrease in it at cold junctions increases the efficiency not only due to an increase in the efficiency of the Carnot cycle, but also as a result of an increase in M at a given value of Z.

Так как предлагаемое устройство должно обеспечивать эффективную работу системы охлаждения 4, за счет принудительной циркуляции хладоносителя при помощи рециркуляционного насоса 9, то в выражении (3) необходимо также учесть КПД рециркуляционного насоса 9 и блока управления 8Since the proposed device should ensure the efficient operation of the cooling system 4, due to the forced circulation of the coolant using the recirculation pump 9, in expression (3) it is also necessary to take into account the efficiency of the recirculation pump 9 and the control unit 8

Figure 00000004
Figure 00000004

где ηн - КПД рециркуляционного насоса системы охлаждения ТЭГ,where η n is the efficiency of the recirculation pump of the TEG cooling system,

ηбу - КПД блока управления.η bu - efficiency of the control unit.

Для циркуляции хладоносителя используется маломощный рециркуляционный насос 9 с повторно-кратковременным режимом работы. Электропитание рециркуляционного насоса 9 и блока управления 8 осуществляется за счет энергии, полученной от ТЭГ.For the circulation of the coolant, a low-power recirculation pump 9 with intermittent operation is used. The power supply of the recirculation pump 9 and the control unit 8 is provided by the energy received from the TEG.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокоэффективную работу системы охлаждения, что приводит к повышению КПД устройства.The proposed device provides highly efficient operation of the cooling system, which leads to an increase in the efficiency of the device.

Claims (1)

Термоэлектрический генератор с принудительной системой охлаждения, преобразующий тепло уходящих газов тепловых установок, включающий в себя термоэлектрические модули, количество которых зависит от величины требуемого напряжения и тока, пластину для прилегания на наружной поверхности дымовой трубы, на которой установлен датчик температуры, подсоединенный к блоку управления, к термоэлектрическим модулям прикреплены охлаждающие радиаторы, отличающийся тем, что охлаждающие радиаторы системы охлаждения термоэлектрических модулей имеют принудительную систему охлаждения с рециркуляционным насосом, причем блок управления регулирует скорость течения хладоносителя в системе охлаждения при помощи рециркуляционного насоса.A thermoelectric generator with a forced cooling system that converts the heat of exhaust gases from thermal installations, including thermoelectric modules, the number of which depends on the value of the required voltage and current, a plate for adhering to the outer surface of the chimney, on which a temperature sensor is installed, connected to the control unit, cooling radiators are attached to the thermoelectric modules, characterized in that the cooling radiators of the cooling system of the thermoelectric modules have a forced cooling system with a recirculation pump, and the control unit regulates the flow rate of the coolant in the cooling system using a recirculation pump.
RU2020132666A 2020-10-01 2020-10-01 Thermoelectric generator with forced cooling system RU2755980C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132666A RU2755980C1 (en) 2020-10-01 2020-10-01 Thermoelectric generator with forced cooling system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132666A RU2755980C1 (en) 2020-10-01 2020-10-01 Thermoelectric generator with forced cooling system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2755980C1 true RU2755980C1 (en) 2021-09-23

Family

ID=77852090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020132666A RU2755980C1 (en) 2020-10-01 2020-10-01 Thermoelectric generator with forced cooling system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2755980C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005113740A (en) * 2003-10-06 2005-04-28 Toyota Motor Corp Waste heat recovery system
RU2348089C1 (en) * 2007-07-16 2009-02-27 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) Thermoelectric household generator
RU145152U1 (en) * 2014-03-24 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) THERMOELECTRIC GENERATOR OPERATING FROM THE HEAT ENERGY OF THE COMBUSED GAS
RU150186U1 (en) * 2013-09-10 2015-02-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие Квант" THERMOELECTRIC GENERATOR
WO2018174173A1 (en) * 2017-03-24 2018-09-27 ヤマハ株式会社 Thermoelectric power generating module, thermoelectric power generating device using said thermoelectric power generating module, and temperature measuring method
US20200025053A1 (en) * 2016-09-01 2020-01-23 Quantum Industrial Development Corporation Thermoelectric heat energy recovery module generator for application in a stirling-electric hybrid automobile

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005113740A (en) * 2003-10-06 2005-04-28 Toyota Motor Corp Waste heat recovery system
RU2348089C1 (en) * 2007-07-16 2009-02-27 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) Thermoelectric household generator
RU150186U1 (en) * 2013-09-10 2015-02-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие Квант" THERMOELECTRIC GENERATOR
RU145152U1 (en) * 2014-03-24 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) THERMOELECTRIC GENERATOR OPERATING FROM THE HEAT ENERGY OF THE COMBUSED GAS
US20200025053A1 (en) * 2016-09-01 2020-01-23 Quantum Industrial Development Corporation Thermoelectric heat energy recovery module generator for application in a stirling-electric hybrid automobile
WO2018174173A1 (en) * 2017-03-24 2018-09-27 ヤマハ株式会社 Thermoelectric power generating module, thermoelectric power generating device using said thermoelectric power generating module, and temperature measuring method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN201332372Y (en) Residual heat thermoelectric power generation system using circulating liquid cooling
Ahmad et al. Performance enhancement and infra-red (IR) thermography of solar photovoltaic panel using back cooling from the waste air of building centralized air conditioning system
PraveenKumar et al. Performance evaluation with low-cost aluminum reflectors and phase change material integrated to solar PV modules using natural air convection: An experimental investigation
PraveenKumar et al. Experimental assessment of thermoelectric cooling on the efficiency of PV module
Kolambekar et al. Development of prototype for waste heat energy recovery from thermoelectric system at Godrej vikhroli plant
Bobean et al. The study and modeling of a thermoelectric generator module
RU2755980C1 (en) Thermoelectric generator with forced cooling system
Mahmat et al. Experimental and theoretical analysis of thermoelectric energy generating system collecting concentrated solar energy
Khasee et al. Energy and exergy analysis of a double–pass thermoelectric solar air collector
Ivanov et al. Synthesis and Study on Waste Heat Thermoelectric Generator
Chahine et al. Parametric analysis of temperature gradient across thermoelectric power generators
WO2004054008A1 (en) Thermoelectric effect apparatus, energy direct conversion system, and energy conversion system
RU2762380C1 (en) Thermoelectric system for utilization of thermal energy at the enterprises of the agro-industrial complex
Sornek A study of selected aspects of the operation of thermoelectric generator incorporated in a biomass-fired stove
JP3626798B2 (en) Thermoelectric power generation equipment
Bojanampati et al. Experimental assessment of flat-type photovoltaic module thermal behavior
Ivanov et al. Design and Study of an Automotive Thermoelectric Generator
Panjwani et al. Hybrid concentrated photovoltaic thermal technology for domestic water heating
Imran et al. Exhaust waste energy harvesting by using a thermoelectric generator with a water heat exchanger
Wu Performance of solar-pond thermoelectric power generators
anak Nyandang et al. An Experimental Study of the Effect of Cooling Method in Parabolic Solar Dish Concentrator for Power Generation using Thermoelectric Generator
RU186072U1 (en) THERMOELECTRIC GENERATOR MODULE
Budea et al. Experimental research on the operation of a PVT hybrid solar system
Maharaj Design and implementation of a thermoelectric cogeneration unit
Lakhani et al. An efficient thermoelectric energy harvesting system