УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 1995 года по МПК F25B21/02 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в создании экономически чистых источников энергии.

Известен аппарат Пельтье для теплового насоса. Способ, реализованный в этом аппарате, берется за прототип.

Устройство выработки энергии по указанному способу заключается в том, что рабочий ток регулируют в зависимости от температуры со стороны теплоотвода, что температура остается примерно постоянной, при этом рабочий ток соответствует оптимальному, с точки зрения КПД, многоамперному току, пока температура лежит ниже нижней предельной силы рабочего тока и соответствует меньшей силе тока, составляющей 10-20% оптимального тока или опускается ниже. Источник тока питает батарею Пельтье только во время действия многоампеpного тока. Недостатком известного способа можно считать постоянное присутствие внешнего источника энергии электрической батареи, т.е. на осуществление постоянной работы теплового насоса необходимы периодические затраты дополнительной энергии.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для получения электроэнергии, выполненное в виде термоэлектрического трансформатора тепла, работающего по принципу Зеебека. Устройство содержит термопару с термоэлектродами.

Недостатком устройства можно считать то, что объем и количество тепла у горячих спаев и холода у холодных спаев соизмеримы и поэтому эта система обречена работать сама на себя в затухающем режиме, а для поддержания работы постоянно или периодически требуется дополнительный источник энергии.

В предлагаемом устройстве достигается стабильный постоянный режим работы при условии однократной подачи порции энергии для запуска процесса путем помещения одних, например горячих спаев, в замкнутое пространство, объем и запасы тепла в котором пренебрежимо малы по сравнению с запасами холода в окружающем пространстве.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для получения электроэнергии, содержащем термопары с термоэлектродами, один конец которых соединен с теплоприемником, а другой с теплоотдатчиком, теплоприемник и теплоотдатчик выполнены в виде расположенных коаксиально относительно друг друга оболочек, причем внутренняя оболочка образует замкнутую полость, а между оболочками размещен наполнитель, на котором закреплены термоэлектроды термопар, устройство снабжено аппаратом с входным и выходным патрубками, расположенным в замкнутой полости и имеющим источник электропитания, причем последний соединен с термопарами, кроме того, замкнутая полость снабжена тепловыводящим каналом, наполнитель выполнен в виде гофрированной конструкции, а электроды закреплены на гранях гофр, гофрированная конструкция выполнена многослойной, а термоэлектроды закреплены на внешней и внутренней поверхностях каждого слоя, гофрированная конструкция выполнена в виде направляющих, на которых закреплена пленка, а наполнитель выполнен сплошным.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 схема устройства, в которой гипертермопары расположена в теплообменном канале, а основная оболочка имеет только теплоизоляцию; на фиг.3 фрагмент многослойной гофрированной конструкции; на фиг.4 гофрированная конструкция, вид сверху; на фиг.5 фрагмент оболочки со сплошным наполнителем, пронизанным термоэлектродами; на фиг.6 гофрированная конструкция из пленки.

Устройство для получения электроэнергии содержит оболочку 1, имеющую внешнюю 2 и внутреннюю 3 обшивки, между которыми размещен заполнитель в виде гофрированной конструкции 4. На грани гофр нанесены термоэлектроды 5 (см. фиг.4). Термоэлектроды соединены в гипертермопары в вершинах и впадинах гофр 4 (см. фиг.4). Горячие и холодные спаи гипертермопар находятся на противоположных сторонах стенок оболочки 1. Устройство снабжено аппаратом 6 (нагревателем или холодильником), изменяющим температуру рабочего тела, находящегося в полости оболочки 1. Вход электропитания 7 этого аппарата 6 соединен со спаями гипертермопар. Выход и вход 9 рабочего тела 8 аппарата 6 соединены с полостью оболочки 1. В устройстве вход 7 выполнен и как источник самостоятельного электропитания аппарата 6. Потребителем тепла или холода может служить сама полость оболочки 1 или сквозной тепловыводящий канал 10.

Вариантом схемы устройства может быть схема, представленная на фиг.2, в которой гипертермопары расположены на канале 10, а основная оболочка 1 имеет только теплоизоляцию. В этом случае канал 10 из тепловыводящего превращения в теплообменный.

Гофрированная конструкция 4 может быть выполнена многослойной (см.фиг. 3). При этом термоэлектроды 5 расположены на внутренней и внешней поверхностях каждого слоя.

Между обшивками 2 и 3 стенок оболочки 1 может быть сплошной заполнитель 11, пронизанный термоэлектродами 5 (см. фиг.5)
Гофрированная конструкция может быть выполнена и в виде тонкой пленки 12, которая так же может быть многослойной. Для поддержания гофрированной геометрии конструкции между обшивками 2 и 3 установлены направляющие 13 (см. фиг.6).

Устройство работает следующим образом.

Для создания минимальной разности температур ΔТ между наружными и внутренними стенками обшивок 2 и 3 оболочки 1 в полость оболочки 1 вводят однократно заданное количество тепла или холода с помощью аппарата 6, а источником этой разовой порции тепла служит источник электропитания входа 7 аппарата 6.

При достижении необходимой разности температур ΔТ на холодных и горячих спаях гипертермопар 5 начинает вырабатываться термоЭДС. Эту энергию подают на вход электропитания 7 аппарата 6. При этом вход 7 перестает функционировать как источник самостоятельного электропитания, с помощью аппарата 6 нагревают или охлаждают рабочее тело, которое подают в полость оболочки 1 или в тепловыводящий канал 10 этой оболочки. Подогретое или охлажденное рабочее тело постоянно поддерживает разность температур ΔТ между наружной средой и внутренней полостью оболочки, не нуждаясь в дополнительных инъекциях тепла со стороны аппарата 6, т.е. в работе источника электропитания. Процесс выработки энергии гипертермокамерами внутри оболочки или внутри теплообменного канала идет автономно.

Определим мощность электрического тока, которую можно получить с одного квадратного метра поверхности оболочки. Допустим, что оболочка 1 имеет заполнитель в виде перпендикулярного гофра 4. Гипертермопары расположены перпендикулярно ребрам гофра и подсоединены параллельно к шинам 14 холодных и горячих спаев.

ТермоЭДС одной гипертермопары равно
U α ˙ n ˙ ΔT, где α коэффициент относительной термоЭДС одной термопары;
n количество термопар в гипертермопаре;
ΔТ перепад температур между горячими и холодными спаями гипертермопары.

Электрическое сопротивление одной гипертермопары определяется по формуле
R + l·n где ρ₁ и ρ₂ удельные электрические сопротивления,
S₁ и S₂ площади поперечных cечений термоэлектродов, составляющих одну термопару;
l длина термоэлектрода. Ток, протекающий через гипертермопару, определяется по формуле
I Мощность электрического тока, вырабатываемого гипертермопарой, равна
W₁= · n Обозначим m число гипертермопар, приходящееся на единицу длины поверхности. Поскольку гипертермопары подсоединены к электрическим шинам параллельно, то электрическая мощность, вырабатываемая участком поверхности оболочки единичной длины, определяется выражением
W₂= n·m Если гофр имеет k слоев, на каждом из которых нанесены гипертермопары с двух сторон, то мощность, вырабатываемая участком поверхности единичной длины, равна
W₃= 2 n·m·k Как видно из этой формулы, чтобы увеличить мощность, нужно максимизировать плотность укладки (n ˙ m ˙ k) и коэффициент термоЭДС, а также минимизировать электрическое сопротивление термопары
+ l
Рассмотрим пределы изменения этих величин. Коэффициент α может изменяться в пределах от нескольких десятков мкВ/град для обычных материалов до ≈1500 мкВ/град для специальных материалов.

Величина минимального электрического сопротивления термопары для известных материалов может быть R_min ≈ 10,0 м. Для поверхности единичной ширины число n_max ≈ 100. Число m_max ≈ 2 ˙ 10⁴, число K_max ≈ 50. Используя эти данные, получим оценку максимальной мощности, которая может быть получена с 1 м² поверхности при ΔT= 20 К; W_max 20 Вт 18 кВт.

Использование: энергетика, при создании экологически чистых источников энергии. Сущность изобретения: устройство для получения электроэнергии содержит термопары с термоэлектродами, один конец которых соединен с внутренней, а другой с наружной оболочками. Между оболочками размещен наполнитель. Внутренняя оболочка образует замкнутую полость, в которой расположен аппарат с источником электропитания, соединенный с термопарами. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, содержащее термопары с термоэлектродами, одни концы которых соединены с теплоприемником, а другие с теплоотдатчиком, отличающееся тем, что теплоприемник и теплоотдатчик выполнены в виде расположенных коаксиально относительно одна другой оболочек, причем внутренняя оболочка образует замкнутую полость, а между оболочками размещен наполнитель, на котором закреплены термоэлектроды термопар, устройство снабжено аппаратом с входным и выходным патрубками, расположенным в замкнутой полости и имеющим источник электропитания, причем последний соединен с термопарами. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замкнутая полость снабжена тепловыводящим каналом. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наполнитель выполнен в виде гофрированной конструкции, а термоэлектроды закреплены на гранях гофр. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что гофрированная конструкция выполнена многослойной, а термоэлектроды закреплены на внешней и внутренней поверхностях каждого слоя. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что гофрированная конструкция выполнена в виде направляющих, на которых закреплена пленка. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наполнитель выполнен сплошным.