ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2002 года по МПК H01L35/02 

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в термоэлектрических генераторах (ТЭГ), применяемых с целью утилизации отработавшего тепла ядерных реакторов, двигателей внутреннего сгорания (ДВС), дизельных и других тепловых двигателей.

Известно много различных конструкций ТЭГ, применяемых в качестве автономных источников питания для аппаратуры, работающей в полевых условиях, например "Портативный ТЭГ на жидком органическом топливе" по а.с. 1235425, "ТЭГ" по а. с. 1686984, "ТЭГ" по патенту 2018196. Все указанные генераторы преобразуют в электрическую энергию тепло, получаемое от газовых горелок, печей, костров и тому подобных источников тепла. Эти генераторы используют высокотемпературное тепло, а потому в их конструкции для уменьшения прямого теплового воздействия на термоэлектрические элементы имеются различные теплоотводы, например экраны, рассеиватели, сосуды с водой или мощные металлические плиты.

Известны также конструкции ТЭГ, использующих низкотемпературное тепло, например "Глушитель шума выхлопа ДВС" по а.с. 1285168, в котором установлен ТЭГ, горячие спаи которого омываются выхлопными газами, холодные спаи - наружным воздухом, а энергия, получаемая этим ТЭГ, используется для подзарядки аккумуляторов или вспомогательных нужд.

В качестве прототипа данного изобретения выбран "Парообразователь с ТЭГ" по а.с. 113206. Совокупность признаков этого генератора состоит из узла нагревателя, представленного парообразователем, имеющим печь и поверхность нагрева которого имеет в поперечном сечении развитую поверхность в форме многоконечной звезды, выполненной в виде отдельных отливок, в полостях которых циркулирует вода и которые являются узлом охладителя. На поверхности нагревателя расположены термоэлементы, объединенные в батареи таким образом, что одна группа спаев термоэлементов соприкасается с печными дымовыми газами, а другая прижата к поверхности, омываемой водой.

Задачей настоящего изобретения является получение компактного ТЭГ с выходной мощностью от 30 кВт и более, имеющего высокий КПД и использующего для горячих спаев термоэлементов низкотемпературное тепло порядка 300-600^oС, получаемое от выхлопных газов ДВС и других тепловых двигателей. Эту задачу удается решить повышением добротности применяемых термоэлементов, собранных в специальные модули, как за счет увеличения единичной мощности самих модулей, так и за счет повышения рабочей температуры горячего спая.

Для достижения указанных технических результатов предлагается ТЭГ, содержащий узел нагревателя, имеющий в поперечном сечении развитую поверхность, узел охладителя и батареи термоэлементов, выполненные в виде модулей, которые собраны в блок, размещенный между узлами нагревателя и охладителя. Нагрев поверхности нагревателя, происходящий, например, за счет конвекционного тепла от выхлопных газов ДВС, и одновременно охлаждение холодных спаев термоэлементов за счет потока воздуха или потока забортной воды (при использовании ТЭГ на судах) приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых благодаря эффекту Зеебека возникает термоЭДС, которую можно по специальным токоотводам направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна или автомобиля. Кроме того, в каждом из указанных модулей последовательно коммутируются до 300 термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а другая - n-типа, при этом каждая ветвь p-типа содержит в %:
Висмут - 9-21
Теллур - 54-60
Сурьма - 23-31
Селен - 0-2
а каждая ветвь n-типа содержит, %:
Висмут - 50-56
Теллур - 34-47
Сурьма - 0-2
Селен - 1-10
Из указанного диапазона компонентов предпочтительный состав для работы термоэлементов, например, в диапазоне температур по горячему спаю в 150±15^oС будет следующим:
ветвь с n-типом проводимости (90 мас.% Bi₂Te₃ и 10 мас.% Bi₂Se₃):
Висмут - 53,2 мас.%
Теллур - 43,8 мас.%
Селен - 3,0 мас.%
ветвь с p-типом проводимости (25 мас.% Bi₂Te₃ и 75 мас.% Sb₂Те₃):
Сурьма - 27,3 мас.%
Висмут - 15,6 мас.%
Теллур - 57,6 мас.%
Кроме указанного общего технического решения, узел нагревателя такого термогенератора может быть выполнен в виде многоконечной звезды в поперечном сечении, а для использования тепла отработавших газов, отводимых по выхлопной трубе от ДВС или дизеля, в нем может быть предусмотрена специальная полость для крепления на указанной выхлопной трубе, а кроме того, конструкция узла охладителя может быть включена в контур системы охлаждения двигателя.

На чертеже схематически изображен термоэлектричесий генератор (ТЭГ).

ТЭГ содержит узел нагревателя 1, представляющий собой литой корпус с развитой поверхностью в поперечном сечении в виде шестиугольной звезды и закрепленный на выхлопной трубе ДВС или дизеля, узел охлаждения 2, выполненный в виде трубопровода, по которому циркулирует вода, например забортная, при использовании ТЭГ в качестве судового устройства, и термоэлектрические модули (ТЭМ) 3, установленные на поверхности узла нагревателя таким образом, что их холодные спаи проходят вдоль указанного трубопровода.

Известно, что для интервалов температур, характерных при использовании для ТЭГ тепла отработавших газов ДВС или дизелей (порядка 300-600^oС), современные материалы дают возможность получить параметр добротности модулей порядка:
Z=(1,2÷1,5)•(10^-3гpaд^-1 [1]
В то же время проведенные испытания показали, что примененные в качестве материала ветвей ТЭМ четверные сплавы, указанные выше, обеспечивают добротность модуля даже выше этих значений.

Проверка работоспособности опытного ТЭГ мощностью в 3 кВт и с КПД порядка 10% была проведена на макете энергетической установки судна (дизеле мощностью 110 кВт) и подтвердила все расчетные характеристики генератора.

Литература
1. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые элементы, АН СССР, М.-Л., 1960.

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в термоэлектрических генераторах (ТЭГ), применяемых с целью утилизации отработавшего тепла ядерных реакторов, двигателей внутреннего сгорания (ДВС), дизельных и других тепловых двигателей. Техническим результатом является повышение добротности термоэлементов, собранных в специальные модули за счет увеличения единичной мощности самих модулей, а также за счет повышения рабочей температуры горячего спая. Для достижения указанного технического результата предлагается ТЭГ, содержащий узел нагревателя, узел охладителя и батареи термоэлементов, выполненные в виде модулей, которые собраны в блок, размещенный между узлами нагревателя и охладителя. Узел нагревателя может быть выполнен полым, что дает возможность устанавливать его на выхлопной трубе ДВС или дизеля. Предложенная конструкция в сочетании с 4-компонентным материалом термоэлементов обеспечивает получение компактного генератора, который легко размещается как в корпусе судов в месте размещения выхлопной трубы, так и автомобиля. При этом в зависимости от мощности двигателя можно получить генератор с выходной мощностью 10-30 кВт и более и с кпд порядка 10%. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэлектрический генератор, содержащий узел нагревателя, имеющего в поперечном сечении развитую поверхность, узел охладителя и батареи полупроводниковых термоэлементов, отличающийся тем, что батареи выполнены в виде модулей, а модули собраны в блок, размещенный между узлами охладителя и нагревателя, в каждом из модулей последовательно коммутируются до 300 термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а другая n-типа, при этом каждая ветвь p-типа содержит, %:
Висмут - 9-21
Теллур - 54-60
Сурьма - 23-31
Селен - 0-2
а каждая ветвь n-типа содержит, %:
Висмут - 50-56
Теллур - 34-47
Сурьма - 0-2
Селен - 1-10
2. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что узел нагревателя имеет в поперечном сечении форму многоконечной звезды. 3. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что узел нагревателя выполнен полым и может устанавливаться на выхлопной трубе двигателя внутреннего сгорания или дизеля. 4. Термоэлектрический генератор по п.3, отличающийся тем, что узел охладителя включен в контур системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания или дизеля.