RU2788970C1

RU2788970C1 - Thermoelectric generator unit for unmanned aerial vehicles

Info

Publication number: RU2788970C1
Application number: RU2022102254A
Authority: RU
Inventors: Лариса Алексеевна Великанова; Артем Васильевич Яриков; Артем Сергеевич Кострыкин; Алексей Викторович Великанов; Алексей Викторович Шишкин; Максим Александрович Лихачев; Степан Владимирович Артыщенко; Егор Николаевич Буравлев
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2023-01-26

Abstract

FIELD: unmanned aerial vehicles.

SUBSTANCE: thermoelectric generator set for unmanned aerial vehicles contains thermoelements with hot and cold junctions, a thermoelectric generator control unit combined with an unmanned aerial vehicle control unit, a voltage regulator, a fuel tank, an electromagnetic valve and a throttle for supplying fuel to the burner, made in a certain way in the form of a double-walled glasses with ventilation and purge windows, thermocouple elements connected in series to each other in segments connected in parallel, a spark plug and a jet with a catalyst located inside the burner.

EFFECT: increased duration and range of flight due to additional recharging of batteries and power supply of payload electrical appliances.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности к конструкции термоэлектрической генераторной установки для подзарядки аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов.The invention relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy, in particular to the design of a thermoelectric generator set for recharging batteries of unmanned aerial vehicles.

Известен беспилотный комплекс, содержащий беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки мультироторного типа, оснащенный блоком управления и электродвигателями с воздушными винтами, а также литий-ионными аккумуляторными батареями [Патент RU 2726390 С2, МПК В64С 27/08, A61J 1/05, А61В 50/31].Known unmanned complex containing an unmanned aerial vehicle vertical takeoff and landing multirotor type, equipped with a control unit and electric motors with propellers, as well as lithium-ion batteries [Patent RU 2726390 C2, IPC B64C 27/08, A61J 1/05, A61B 50 /31].

Недостатком данного устройства является низкая дальность и продолжительность полета из-за ограниченной емкости аккумуляторных батарей и невозможности их подзарядки в процессе полета.The disadvantage of this device is the low range and duration of the flight due to the limited capacity of the batteries and the impossibility of recharging them during the flight.

Наиболее близким к заявленному устройству является термоэлектрический генератор, содержащий термоэлементы с горячими и холодными спаями и выполненный из параллельно соединенных термоэлектрических генераторов, включающий полупроводниковые термоэлектрические батареи с холодными и горячими спаями, охлаждаемыми холодными и нагреваемыми горячими радиаторами термоэлектрических батарей [Патент RU 96709 U1, МПК H02N 10/00, 10.08.2010].Closest to the claimed device is a thermoelectric generator containing thermoelements with hot and cold junctions and made of thermoelectric generators connected in parallel, including semiconductor thermoelectric batteries with cold and hot junctions, cooled by cold and heated by hot radiators of thermoelectric batteries [Patent RU 96709 U1, IPC H02N 10/00, 08/10/2010].

Однако рассмотренное устройство не может обеспечить автономную подзарядку аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов во время полета, поскольку имеет большие габариты и вес, так как нагрев горячих спаев и охлаждение холодных осуществляется проточной водой опреснителя морской воды.However, the considered device cannot provide autonomous recharging of the batteries of unmanned aerial vehicles during the flight, since it has large dimensions and weight, since the hot junctions are heated and the cold junctions are cooled by the running water of the seawater desalination plant.

Технической задачей изобретения является оборудование беспилотного летательного аппарата мультироторного типа термоэлектрической генераторной установкой с целью повышения продолжительности и дальности полета путем дополнительной подзарядки аккумуляторных батарей, а также питания электроприборов полезной нагрузки.The technical objective of the invention is to equip an unmanned aerial vehicle of a multirotor type with a thermoelectric generator set in order to increase the duration and range of flight by additionally recharging the batteries, as well as powering the payload electrical appliances.

Для решения указанной технической задачи предлагается термоэлектрическая генераторная установка, состоящая из термоэлектрического генератора, блока управления, регулятора напряжения, вспомогательных элементов и предусматривающая емкость для топлива (например, сжиженного газа); электромагнитный клапан подачи топлива к горелке, осуществляющий подачу топлива из топливного баллона к жиклеру горелки, содержащему катализатор для поддержания устойчивого, постоянного горения; дроссель; горелку, имеющую устройство поджига, обеспечивающее с помощью свечи зажигания воспламенение горючей смеси, образующейся путем смешивания топлива с воздухом, поступающим через вентиляционные окна горелки. Внутри горелки установлены термопарные элементы, соединенные между собой последовательно в сегменты, а сегменты соединены между собой параллельно. При этом горелка выполнена в виде двустенного стакана, оборудованного продувочными окнами в торцевой части с целью уменьшения нагрева от пламени горелки холодных спаев термопар за счет теплопроводности. Внутренний цилиндр камеры сгорания горелки изготавливается из диэлектрического материала, и с внутренней стороны покрывается светоотражающим материалом обеспечивающим снижение теплопередачи к холодному спаю термопары излучением. Для снижения теплопередачи способом теплопроводности в конструкции горелки предусмотрены продувочные окна, циркуляция воздуха через которые осуществляется за счет эжекции (передачи кинетической энергии движения), создаваемой реактивным потоком отработавших газов горелки. Управление работой, предлагаемого термоэлектрического генератора осуществляется блоком управления беспилотного летательного аппарата, а обеспечение требуемых параметров тока происходит за счет работы регулятора напряжения.To solve this technical problem, a thermoelectric generator set is proposed, consisting of a thermoelectric generator, a control unit, a voltage regulator, auxiliary elements and providing a container for fuel (for example, liquefied gas); a solenoid valve for supplying fuel to the burner, which supplies fuel from the fuel bottle to the burner jet containing the catalyst to maintain stable, constant combustion; throttle; a burner having an ignition device that, using a spark plug, ignites the combustible mixture formed by mixing fuel with air entering through the burner's ventilation windows. Inside the burner, thermocouple elements are installed, connected to each other in series in segments, and the segments are connected to each other in parallel. In this case, the burner is made in the form of a double-walled glass, equipped with purge windows in the end part in order to reduce the heating from the flame of the burner of the cold junctions of thermocouples due to thermal conductivity. The inner cylinder of the combustion chamber of the burner is made of a dielectric material, and on the inside it is covered with a reflective material that reduces the heat transfer to the cold junction of the thermocouple by radiation. To reduce heat transfer by thermal conduction, the burner design is provided with purge windows, air circulation through which is carried out due to ejection (transfer of kinetic energy of motion) created by the reactive flow of the exhaust gases of the burner. The operation of the proposed thermoelectric generator is controlled by the control unit of an unmanned aerial vehicle, and the required current parameters are provided due to the operation of the voltage regulator.

Данное устройство способно при малом удельном весе (весе на единицу развиваемой мощности) обеспечивать надежную автономную подзарядку аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов.This device is capable of providing reliable autonomous recharging of batteries of unmanned aerial vehicles with a low specific gravity (weight per unit of developed power).

Заявляемое устройство изображено на фиг. 1 - беспилотный летательный аппарат с термоэлектрической генераторной установкой; на фиг. 2 - термоэлектрический генератор; на фиг. 3 - сегмент термоэлектрической генераторной установки; на фиг 4 - функциональная схема установки.The claimed device is shown in Fig. 1 - unmanned aerial vehicle with a thermoelectric generator set; in fig. 2 - thermoelectric generator; in fig. 3 - segment of thermoelectric generator set; Fig 4 - functional diagram of the installation.

На фиг. 1 изображен беспилотный летательный аппарат, включающий следующие элементы: 1 - блок управления, 2 - термоэлектрический генератор, 3 - беспилотный летательный аппарат, 4 - электродвигатель, 5 - воздушный винт.In FIG. 1 shows an unmanned aerial vehicle, including the following elements: 1 - control unit, 2 - thermoelectric generator, 3 - unmanned aerial vehicle, 4 - electric motor, 5 - propeller.

На фиг. 2 изображен термоэлектрический генератор 2, содержащий: 6 - топливный баллон, 7 - электромагнитный клапан, 8 - дроссель (регулятор производительности), 9 - свеча зажигания, 10 - жиклер с катализатором, 11 - вентиляционное окно, 12 - внешний цилиндр, 13 - горячий спай термопарного элемента, 14 - внутренний цилиндр (камера сгорания) горелки, 15 - продувочное окно, 17 - холодный спай термопарного элемента, 18 - горелка.In FIG. 2 shows a thermoelectric generator 2, containing: 6 - a fuel bottle, 7 - an electromagnetic valve, 8 - a throttle (capacity regulator), 9 - a spark plug, 10 - a jet with a catalyst, 11 - a ventilation window, 12 - an external cylinder, 13 - a hot junction of the thermocouple element, 14 - inner cylinder (combustion chamber) of the burner, 15 - purge window, 17 - cold junction of the thermocouple element, 18 - burner.

На фиг. 3 изображено размещение термоэлектрического сегмента генераторной установки в нутрии горелки (вид с боку), содержащее: 9 - свечу зажигания, 16 - контактные выводы, 10 - жиклер с катализатором, 11- вентиляционные окна, 13 - горячий спай термопарного элемента, 17 - холодный спай термопарного элемента.In FIG. 3 shows the location of the thermoelectric segment of the generator set inside the burner (side view), containing: 9 - spark plug, 16 - contact leads, 10 - jet with a catalyst, 11 - ventilation windows, 13 - hot junction of the thermocouple element, 17 - cold junction thermocouple element.

На фиг. 4 представлена функциональная схема термоэлектрической генераторной установки, включающая: 1 - блок управления, 6 - топливный баллон, 7 - электромагнитный клапан, 8 - дроссель, 9 - свеча зажигания, 18 - горелка, 19 - чувствительный элемент (например, стабилитрон), 20 - коммутатор (например, транзисторный), 21 - аккумуляторная батарея.In FIG. 4 shows a functional diagram of a thermoelectric generator set, including: 1 - control unit, 6 - fuel bottle, 7 - electromagnetic valve, 8 - throttle, 9 - spark plug, 18 - burner, 19 - sensing element (for example, a zener diode), 20 - switch (for example, transistor), 21 - battery.

Термоэлектрическая генераторная установка для беспилотных летательных аппаратов содержит: беспилотный летательный аппарат мультироторного типа 3 с блоком управления 1 и расположенными по краям электродвигателями 4 с воздушными винтами 5. Снизу при помощи крепления фиксируется термоэлектрический генератор 2, включающий в себя горелку 18 с внешним 12 и внутренним 14 цилиндрами, электромагнитный клапан 7, срабатывающий для пропускания топлива от топливного баллона 6 через дроссель 8 к жиклеру с катализатором 10 горелки, свечу зажигания 9 для поджига горючей смеси, продувочные окна 15, обеспечивающие процесс эжекции при охлаждении средней части термопар с целью поддержания необходимой разности температур между горячими 13 и холодными 17 спаями термопар, вентиляционные окна, служащие для подачи воздуха с целью образования горючей смеси кислорода воздуха с топливом.The thermoelectric generator set for unmanned aerial vehicles contains: an unmanned aerial vehicle of a multirotor type 3 with a control unit 1 and electric motors 4 located at the edges with propellers 5. A thermoelectric generator 2 is fixed from below with a mount, including a burner 18 with an external 12 and an internal 14 cylinders, solenoid valve 7, which operates to pass fuel from the fuel bottle 6 through the throttle 8 to the burner jet with catalyst 10, spark plug 9 for igniting the combustible mixture, purge windows 15, which provide the ejection process when the middle part of the thermocouples is cooled in order to maintain the required temperature difference between hot 13 and cold 17 junctions of thermocouples, ventilation windows used to supply air in order to form a combustible mixture of air oxygen with fuel.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Для обеспечения большой дальности и продолжительности полета, а также в других случаях, требующих дополнительной электрической энергии, оператор управления подстыковывает к беспилотному летательному аппарату (БпЛА) съемный энергетический модуль, представляющий собой термоэлектрический генератор, проверяет степень заряженности аккумуляторных батарей 21 и производит калибровку навигационного оборудования, подстыковывает полезную нагрузку в соответствии с выполняемой задачей. Далее оператор закладывает маршрут полета в систему автоматического управления и отправляет БпЛА к пункту назначения. При разряде аккумуляторных батарей 21 в процессе совершения полета оператору на пульт дистанционного управления поступает сообщение о разряде аккумуляторов до определенного уровня. В этом случае для обеспечения необходимой продолжительности полета оператор с помощью пульта дистанционного управления подает сигнал на запуск дополнительного энергетического модуля (термоэлектрической генераторной установки), который воспринимается блоком управления 1, подающим команды на исполнительные элементы устройства. При этом первоначальный сигнал подается на электромагнитный клапан 7, осуществляющий подачу топлива из топливного баллона 6 через дроссель 8 к жиклеру с катализатором 10 горелки 18, после чего блоком управления 1 подается сигнал на свечу зажигания 9, осуществляющую поджиг образующейся в результате смешивания газообразного топлива с кислородом воздуха горючей смеси. Таким образом, осуществляется нагрев горячих спаев 13 термопар, соединенных последовательно в сегменты для обеспечения необходимого напряжения, а выводы сегментов соединены параллельно для обеспечения необходимой для питания потребителей силы тока. За счет создаваемой разности температур между горячим 13 и холодным 17 спаями происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую, которая через регулятор напряжения, состоящий из элементов 19 и 20 подается к аккумуляторной батарее 21 для ее заряда. При этом термоэлектрическая генераторная установка оборудуется двумя контурами регулирования напряжения. Первый контур обеспечивает заданную температуру горячих спаев 13 путем изменения подачи горючей смеси в горелку 18 с помощью дросселя (регулятора производительности) 8. В случае понижения напряжения дроссель увеличивает пропускное сечение для увеличения количества подаваемого топлива в горелку, за счет чего увеличится объем сгораемого топлива и температура горячих спаев 13, что вызывает повышение выдаваемого термоэлектрическими сегментами напряжения электрического тока. Второй контур обеспечивает непосредственное регулирование напряжения, выдаваемого термоэлектрическим генератором. В случае увеличения напряжения выше заданных параметров чувствительный элемент 19 (например, стабилитрон) открывается и подает сигнал на коммутатор 20 (например, транзисторный), который в свою очередь, разрывает цепь заряда аккумуляторной батареи 21. При снижении напряжения до заданного уровня, чувствительный элемент срабатывает (закрывается), и коммутатор 20 возобновляет подачу электрического тока в цепь заряда аккумуляторной батареи 21. Таким образом, в процессе полета происходит подзарядка аккумуляторной батареи 21 и питание электроприборов БпЛА.To ensure a long range and duration of flight, as well as in other cases requiring additional electrical energy, the control operator docks a removable energy module, which is a thermoelectric generator, to an unmanned aerial vehicle (UAV), checks the state of charge of the batteries 21 and calibrates the navigation equipment, docks the payload according to the task being performed. Next, the operator puts the flight route into the automatic control system and sends the UAV to the destination. When the batteries 21 are discharged during the flight, the operator receives a message on the remote control about the discharge of the batteries to a certain level. In this case, to ensure the required flight duration, the operator, using the remote control, sends a signal to start an additional power module (thermoelectric generator set), which is perceived by the control unit 1, which sends commands to the actuating elements of the device. In this case, the initial signal is sent to the solenoid valve 7, which supplies fuel from the fuel cylinder 6 through the throttle 8 to the jet with the catalyst 10 of the burner 18, after which the control unit 1 sends a signal to the spark plug 9, which ignites the resulting gaseous fuel mixed with oxygen air combustible mixture. Thus, hot junctions of 13 thermocouples are heated, connected in series into segments to provide the required voltage, and segment leads are connected in parallel to provide the current required to power consumers. Due to the temperature difference created between the hot 13 and cold 17 junctions, a direct conversion of thermal energy into electrical energy takes place, which is fed through a voltage regulator consisting of elements 19 and 20 to the battery 21 to charge it. In this case, the thermoelectric generator set is equipped with two voltage control circuits. The first circuit provides the set temperature of hot junctions 13 by changing the supply of the combustible mixture to the burner 18 using the throttle (capacity controller) 8. In the event of a decrease in voltage, the throttle increases the throughput to increase the amount of fuel supplied to the burner, thereby increasing the amount of combustible fuel and the temperature hot junctions 13, which causes an increase in the electric current output by the thermoelectric segments. The second circuit provides direct regulation of the voltage produced by the thermoelectric generator. In the event of an increase in voltage above the specified parameters, the sensing element 19 (for example, a zener diode) opens and sends a signal to the switch 20 (for example, a transistor), which, in turn, breaks the charge circuit of the battery 21. When the voltage drops to a predetermined level, the sensing element is triggered (closes), and the switch 20 resumes the supply of electric current to the battery 21 charging circuit. Thus, during the flight, the battery 21 is recharged and the UAV electrical appliances are powered.

Изготовление устройства возможно из комплектующих элементов серийно выпускаемых промышленностью.Manufacture of the device is possible from the component parts mass-produced by the industry.

Claims

Thermoelectric generator set for unmanned aerial vehicles, containing thermoelements with hot and cold junctions, characterized in that it is additionally equipped with a thermoelectric generator control unit combined with an unmanned aerial vehicle control unit, a voltage regulator, a fuel tank, an electromagnetic valve and a throttle for supplying fuel to the burner , while the burner is made in the form of a double-walled glass with ventilation and purge windows and contains thermocouple elements connected in series to each other in segments, and the segments are connected to each other in parallel, a spark plug and a jet with a catalyst placed inside the burner.