ГЕНЕРАТОР ТОКА Российский патент 1996 года по МПК H01L35/28 

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к экологическим устройствам, обеспечивающим энергоресурсами коммунально-бытовые объекты, жилые дома, фермерские хозяйства и т.п.

Известен термоэлектрический генератор (1), в котором электроэнергия образуется за счет сжигания топлива (керосина или газа).

Данное устройство имеет очень низкий КПД преобразования энергии топлива в электрическую энергию.

Также известен термоэлектрический генератор, содержащий герметичную плоскую термобатарею, включающую термоэлементы (термопары) теплопроводы, сильфоны, компенсирующие термические напряжения в термоэлементах, и теплоконтактную изоляцию (2).

Данное устройство принято автором за прототип. Оно имеет ряд существенных недостатков:
недостаточный теплообмен между термоэлементами и теплопроводами, т.к. последние отделены от термоэлементов теплоконтактной изоляцией;
сложную конструкцию элементов, применение сильфонов и теплопроводов;
низкий КПД за счет большого термического сопротивления теплоконтактной изоляции и электросопротивления термоэлементов.

Техническим результатом изобретения является устранение перечисленных недостатков.

Технический результат достигается тем, что генератор тока содержит термопары, образованные двумя электропроводными пластинами (например медными), в которых выполнены два отверстия, причем одна из пластин с обеих сторон покрыта другим электропроводным материалом с высоким значением термоЭДС (например молибденитом MoS₂), каждая пара пластин отделена друг от друга изоляционной пластиной, содержащей отверстие, соосное отверстиям в электропроводных пластинах, отверстиями электропроводных и изоляционных пластин образованы два канала, которые соединены с теплообменниками, причем каналы и теплообменники заполнены антифризом (например этиленгликолем). Один теплообменник установлен в земле на глубине 3-10 м, а другой на поверхности земли.

Предлагаемый генератор тока представлен на чертеже. Генератор тока 1 содержит последовательно соединенные термопары, каждая из которых содержит по две медные пластины 2 с двумя отверстиями 3, одна из медных пластин 2 покрыта с двух сторон тонким слоем молибденита 4, термопары изолированы друг от друга изоляционными пластинами 5, содержащими отверстия 6. Собранные в пакет пластины 2 и 5 с соосно расположенными отверстиями 3 и 6, стянуты при помощи двух щек 7 и шпилек 8. Два канала, образованные пластинами 2 и 5 и их отверстиями 3 и 6, соединены фланцами 9. Посредством фланцев 10 и трубопроводов 11 каналы соединены с теплообменниками 12 и 13. Два канала генератора тока 1 и теплообменники 12 и 13 заполнены антифризом, транспортировка которого осуществлена по трубопроводам 11 насосами 14, подключенными к генератору тока 1 с помощью клемм 15 и 16.

Устройство работает следующим образом. Теплообменник 13 устанавливают в земле на глубине 3-10 м, где в течение календарного года температура держится в пределах +5 +7^oC, т.е. теплообменник 13 в зимнее время года является источником тепла. Теплообменник 12 устанавливают на поверхности земли, и в зимнее время года он является источником холода. В летнее время года, наоборот, теплообменник 12 источник тепла, а теплообменник 13 источник холода. По одному каналу генератора тока 1 циркулирует горячий антифриз с температурой T₁, а по второму каналу циркулирует холодный антифриз с температурой T₂, в результате чего одни спаи термопар, образованные пластинами 2, в зимнее время года находятся под воздействием низкой температуры T₂, равной -10^oC, а другие спаи термопар под воздействием T₂, равной +7^oC. Под воздействием разности температур в генераторе тока 1 возникает электрическое напряжение, равное:
U_г eN(T₁ T₂),
где e ЭДС одной термопары, B/^oC;
N число последовательно соединенных термопар;
T₁ температура источника тепла, ^oC;
T₂ температура источника холода, ^oC.

Полученную энергию частично используют для работы насосов 14. Насосы 14 подключают через клеммы 15 и 16 к генератору тока 1, и перемещают антифриз по теплообменникам 12 и 13 и каналам, расположенным в спаях термопар 2. Это позволяет интенсивно охлаждать (нагревать) их и тем самым поддерживать максимальную разность температур T₁ T₂ в генераторе тока 1, что приводит к эффективному снятию электрической энергии с генератора тока и способствует повышению КПД.

Известно, что максимальная электрическая мощность, снимаемая с генератора тока при условии равенства сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению генератора тока, равна:

где U_г напряжение, вырабатываемое генератором тока;
R_г внутреннее сопротивление генератора тока.

В свою очередь, внутреннее сопротивление генератора тока определяется выражением:
,
где ρ₁ удельное сопротивление ветвей термопары, ;
ρ₂ удельное сопротивление слоя молибденита, образующего в контакте с медной пластиной термопару, ;
N число спаев термопар, образующих генератор тока;
L₁ длина ветвей термопары, м;
L₂ толщина слоя молибденита, м;
F₁ поперечное сечение ветвей термопары (пластин), мм²;
F₂ площадь контактной поверхности между медной пластиной и слоем молибденита, мм².

Для поддержания необходимой разности температур на спаях термопар генератора тока к нему подводят и отводят определенное количество тепла, которое определяется выражением:

где λ₁ удельная теплопроводность, Вт/м^oC;
N число пластин спаев термопар генератора тока;
L₃ расстояние между окнами пластин 2, 5 или между каналами генератора тока, м;
F₁ поперечное сечение ветви термопары, мм²;
T₁ температура горячих спаев термопары, ^oC;
T₂ температура холодных спаев термопары, ^oC.

Пренебрегая теплом, которое выделяется в спаях термопар за счет эффекта Пельтье и Джоулева тепла, выделяющегося в ветвях термопар при протекании тока по ним, КПД устройства определяют следующим образом:

Анализируя это выражение, можно сделать вывод, что высокий КПД достигается при условии низкого удельного сопротивления материалов ветвей термопар (ρ₁) и стремящихся к минимуму длин ветвей термопар (L₁). Поскольку молибденит является полупроводником и его удельное сопротивление (ρ₂) имеет значение, намного превосходящее удельное сопротивление ветвей термопар (ρ₁), выполненных из меди, то уменьшение сопротивления достигают за счет малой толщины слоя молибденита (L₂) и большой площади контакта (F₂).

Предлагаемое устройство позволит повысить КПД в 1,5-3 раза по сравнению с известными устройствами, имеющими максимальный КПД до 7%

Использование: в области электроэнергетики, в частности в экологических устройствах, обеспечивающих энергоресурсами коммунально-бытовые объекты, жилые дома, фермерские хозяйства и т.д. Сущность изобретения: термопары генератора образованы двумя электропроводными пластинами, одна из которых покрыта с двух сторон другим электропроводным материалом, и в них выполнено по два отверстия. Каждая пара пластин отделена друг от друга изоляционной пластиной с отверстием, соосным другим отверстиям. Отверстиями в пластинах образованы два канала, которые соединены с теплообменниками, которые заполнены антифризом. Один теплообменник установлен в земле, а другой - на поверхности земли. 1 ил.

Генератор тока, содержащий последовательно соединенные термопары, источники тепла и холода, отличающийся тем, что термопары образованы двумя электропроводными пластинами, например медными, в которых выполнены по два отверстия, причем одна из пластин покрыта с обеих сторон другим электропроводным материалом с высоким значением термо ЭДС, например молибденитом, каждая пара пластин отделена друг от друга изоляционной пластиной, содержащей отверстия, соосные отверстиям электропроводных пластин, этими отверстиями образованы два канала, которые соединены с теплообменниками, каналы и теплообменники заполнены антифризом, например этиленгликолем, причем один теплообменник установлен в земле на глубине 3 10 м, другой на поверхности земли.