Способ работы термоэлектрического генератора

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>T31), 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.

 

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:

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 Tколвозд, 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 (a1 и а2), которые с КПД связаны уравнением:

Для абсорбера КПД от (Tкол-Tвозд) он будет иметь вид:

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:

Значения термоЭДСα(мкВ/К) (мкВ/К) для Т=300°К

Эффективность ТЭ определяется безразмерным коэффициентом - термоэлектрической добротностью ZT (или коэффициентом Йоффе):

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:

где С=α2k/2(ρ12)=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

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 Т231.

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 Т231), 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 Т231.

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 U (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).

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 Т231.

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.



 

Похожие патенты:

Термоэмиссионный преобразователь относится к энергетике. Термоэмиссионный преобразователь содержит узел катода, включающий катод (6) и корпус со средствами нагрева (10), и узел анода, включающий перфорированный анод (1), корпус со средствами охлаждения (5) и каналами для пропуска пара цезия (4) к перфорированному аноду, размещенные на корпусе герметичной камеры, заполненной паром цезия.

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих каналов (ЭГК), встроенных в активную зону термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) космического назначения.

Изобретение может быть использовано в космической технике и атомной энергетике при создании высокоэффективных космических ядерных энергетических установок на основе термоэмиссионного реактора-преобразователя.

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при проектировании и испытаниях термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) преимущественно для космических ядерных энергетических установок (ЯЭУ).

Термоэмиссионный способ тепловой защиты частей летательных аппаратов (ЛА) включает отвод теплового потока от нагреваемой части ЛА к менее нагретой с помощью термоэмиссионного модуля посредством размещения на внутренней поверхности нагреваемых частей ЛА электропроводящего материала или покрытия, обладающего при нагреве высокой эмиссией электронов, - эмиттера, установку с зазором от эмиттера электропроводящего элемента - коллектора, на котором осаждают эмитируемые электроны и через бортовой автономный потребитель электроэнергии транспортируют к эмиттеру, с последующей герметизацией, вакуумированием образованной между эмиттером и коллектором полости и введением в нее химических элементов или соединений, уменьшающих работу выхода электронов.

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов. Технический результат - повышение энергоэффективности, преобразование тепловых потерь в повышение КПД ЭМПЭ на 1-2%.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в источниках тепловой и электрической энергии. В заявленном способе предусмотрено формирование высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным (3) электродом и катодным (4) электродом, выполненным из гидридообразующего металла, формирование вихревого потока инертного газа вдоль оси между электродами и инжекция в этот поток горячего водяного пара.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для генерирования электроэнергии. Технический результат состоит в повышении выходной электроэнергии.

Изобретение относится к ракетно-космической и авиационной технике. Крыло гиперзвукового летательного аппарата (ЛА) содержит внешнюю оболочку, на внутренней поверхности которой размещен эмиссионный слой-катод, который через бортовой потребитель электроэнергии, токоввод катода и токовывод анода соединен с электропроводящим элементом-анодом, в герметизированные полости, образованные внешней оболочкой нагреваемой части крыла ЛА с эмиссионным слоем и анодом, а также анодом с эмиссионным слоем и вспомогательным анодом введены химические элементы - цезий, барий в парообразной фазе.

Изобретение относится к радиационной защите в составе ядерной энергетической установки для космического аппарата. Защита в местах прохода трубопроводов снабжена вставками из теплозащитного материала, например, на основе кварцевых волокон, закрепленными на внешней поверхности защиты и отделяющими трубопроводы от герметизирующей оболочки контейнера с гидридом лития.

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах.Система гелиотеплохладоснабжения содержит южный и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, «холодным» каналом - с помещением, а «горячим» - через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, а на внешней поверхности вихревой трубы выполнены ребра с уменьшающимися расстояниями между ними по направлению движения «горячего» потока.

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности к установкам с использованием солнечной энергии для нагрева теплоносителя в действующих и проектируемых системах теплоснабжения с естественной и принудительной циркуляцией жидкости в контуре солнечных коллекторов.

Изобретение относится к плавучим средствам навигационного оборудования, в частности к бую, предназначенному для ограждения фарватеров на судоходных акваториях. Предложен навигационный буй, содержащий обтекаемый герметичный корпус, разделенный на отсеки, светооптическую аппаратуру на светодиодах, расположенную в головной части корпуса, солнечную энергетическую установку, состоящую из светооптического устройства, автономный источник электропитания (аккумулятор) и подзарядное энергетическое устройство с механизмом подключения его к данному источнику, преобразующее тепловую энергию Солнца в электрическую и помещенное внутрь гелиоконцетратора, функции которого выполняет оптическое устройство на основе линзы Френеля, волновую энергетическую установку, установленную во внутренней полости корпуса, содержащую цилиндрическую емкость со статором линейного электрического генератора, по оси которой в направляющих перемещается шток, на котором установлен ротор с постоянными магнитами линейного электрического генератора, на конце штока установлен стабилизирующий балласт, выполненный полым в виде поплавка, обмотка статора соединена с входом зарядного устройства, выход которого соединен с аккумулятором, от которого питается светооптическая аппаратура, при этом введена еще одна солнечная энергетическая установка, выполненная в виде сферы, установленная по периметру светодиодного излучателя и соединенная с аккумулятором.

Изобретение относится к устройствам преобразования солнечной энергии в тепловую, в частности к конструкциям солнечных водонагревательных установок, размещенных на строительных конструкциях зданий (козырьки (навесы) над крыльцом, балконом, террасой и т.д.).

Изобретение направлено на повышение эффективности преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию и может использоваться в воздушных электростанциях, способствуя повышению их мощности и экономичности.

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах.

Изобретение раскрывает приемник солнечного излучения для преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую энергию. Приемник (2) солнечного излучения (1) для гелиотермальной параболической антенны имеет тепловой двигатель, расположенный в его фокусе, впускной и выпускной коллекторы (9), группу трубок (8), идущих от впускного коллектора к выпускному коллектору, по которым течет нагреваемая при приеме солнечного излучения (1) рабочая текучая среда.

Изобретение относится к энергетике, а именно к энергетике преобразования солнечного излучения в электричество с помощью тепловых машин, и может быть использовано, в частности, в солнечных электрических станциях башенного типа.

Солнечный коллектор с турбиной или турбокомпрессором для приема солнечного излучения содержит коллектор (1) в форме конусообразной спирали, содержащий трубки круглого или квадратного сечения, причем радиус предыдущего витка трубок больше последующего, так что тень предыдущего витка не падает на последующий, и витки плотно прилегают друг к другу без зазоров между ними вплоть до последнего витка, соединенного с трубкой, питающей ведущую турбину (4); и содержит вход (6) для поступления сжатого воздуха из компрессора (16), содержит защиту указанного коллектора (1), покрывающую его поверхность и поверхность трубок (18) и различные инжекторы (30) для производства тепла посредством инжекции газов, содержит ведущую турбину (4), на которую поступает воздух, разогретый в коллекторе (1) энергией солнечного излучения или другими видами топлива, указанная турбина содержит теплообменник, отделяющий ведущую турбину (4) от компрессора (16), содержит промежуточную секцию, разделяющую компрессор (16) и ведущую турбину (4), с центральным проходом для размещения оси (9) в полости воздухонепроницаемой трубки, по которой лопастями (22) компрессора (16) направляется поток воздуха из окружающей среды наружной температуры по направлению к лопаткам ведущей турбины (4), охлаждая их, а центральными лопастями (21) ведущей турбины воздух выбрасывается наружу, где он смешивается с потоком воздуха, продвигающимся на выход (8).

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в системах горячего водоснабжения. Система солнечного теплоснабжения содержит бак-аккумулятор 1 с высокотемпературной 2 и низкотемпературной 3 секциями, размещенными соответственно в верхней и нижней частях бака-аккумулятора и разделенными перегородкой 33 с односторонней проводимостью теплоносителя.

Изобретение относится к хранению тепловой энергии и может быть использовано в устройствах для аккумулирования тепла или холода, используемых для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования, получения электроэнергии. Аккумулятор тепловой энергии содержит резервуар, являющийся полостью в грунте, заполненный твердой аккумулирующей средой, в качестве которой могут быть выбраны грунт, песок, каменные породы, негорючие твердые отходы, вскрышные породы горнодобывающей промышленности, а также зарядный и разрядный теплообменники с теплоносителем, подключенные к источнику и потребителю тепловой энергии соответственно. Резервуар имеет тепловую и гидравлическую изоляцию от внешней среды, внутренний объем резервуара разделен горизонтальными гидро- и теплоизолирующими перегородками на отдельные секции, каждая из которых имеет свой участок зарядного и разрядного контура с теплоносителем, причем разрядные и зарядные контуры каждой гидро- и теплоизолированной секции соединены в разрядный и зарядный коллекторы. Технический результат - аккумулятор холода или тепла характеризуется большой тепловой мощностью, коротким временем зарядки, малыми потерями тепла, а также простотой и технологичностью изготовления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

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 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 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, 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 градиент температур +ΔТ. В холодное время пористое капиллярное вещество поглощает влагу, создавая отрицательный -ΔT градиент температур. И в том, и в другом случае эти градиенты используются для выработки электроэнергии. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Наверх