ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе термоэлектрического генератора, содержащей термоэлектрический элемент, который способен преобразовывать разность температур между первой активной поверхностью элемента и второй активной поверхностью элемента в электричество для генерации электрической мощности из тепловой энергии во время использования системы; и блок управления для управления электрической мощностью, генерируемой элементом в соответствии с существующей потребностью по электропитанию, налагаемой на термоэлектрический элемент во время использования.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Система термоэлектрического генератора известна из US 2009/0025703 A1 (Ван Дер Слуйс и др.). В US 2009/0025703 A1 описывается переносная печь на твердом топливе, содержащая термоэлектрический элемент, который подает питание на вентилятор и аккумулятор. Вентилятор выполнен с возможностью подачи воздуха в топочную камеру печи. Вентилятор подает воздух в топочную камеру печи. Термоэлектрический элемент подает питание на вентилятор. В нем имеется первая активная поверхность в непосредственной близости от топочной камеры и вторая активная поверхность, которая принимает охлаждающий поток от вентилятора. Снабженная принудительной подачей воздуха печь, также известная как «дровяная печь», обеспечивает высокую температуру сгорания и топливосберегающий и полный процесс сгорания. В печи имеются электронный блок управления и контроллер, выполненный с возможностью управления печью в четырех возможных режимах. Электронный блок управления выполнен с возможностью автоматического задания последовательности прохождения через каждый из четырех режимов в соответствии с обнаруживаемыми условиями эксплуатации, например температурой огня.
В первом режиме, обозначаемом режимом «запуска», питание от аккумулятора используется для приведения в действие вентилятора даже в том случае, когда мощность от термоэлектрического элемента для питания вентилятора отсутствует (или недостаточна). Таким образом, обеспечивается возможность очень быстрого достижения топливом, сгораемым в топочной камере, оптимальных высоких температур, что значительно снижает дым и прочие загрязняющие выбросы на этапе запуска печи.
Второй режим, обозначаемый как режим «заряда», включается, когда температура достигает соответствующего уровня. Во втором режиме топливо в топочной камере сгорает при достаточной температуре, чтобы термоэлектрический элемент оказался способным подавать на вентилятор более чем достаточно мощности для поддержания требуемой принудительной конвекции в топочную камеру и, следовательно, также обеспечивает достаточно мощности для повторного заряда аккумуляторной батареи.
Третий режим, обозначаемый как «нормальный» режим, включается, когда аккумулятор возвращается в состояние полного заряда. В третьем режиме топливо в топочной камере сгорает при достаточной температуре, чтобы термоэлектрический элемент оказался способным подавать на вентилятор, по меньшей мере, достаточно мощности для поддержания требуемой принудительной конвекции в топочную камеру.
Четвертый режим, обозначаемый как режим «охлаждения», включается при падении температуры, например, ввиду полного израсходования топлива в топочной камере. В четвертом режиме вентилятору больше нет необходимости поддерживать горение, которое завершилось. В этом режиме аккумулятор отключен и доступная мощность из термоэлектрического элемента направляется в вентилятор попросту для ускорения охлаждения печи в целом, но без разряда аккумулятора. Это предотвращает увеличение остаточного тепловыделения из топочной камеры в корпусе и возможное повреждение любого одного или более из следующего: термоэлектрический элемент, вентилятор и электронный блок управления.
Печи такого рода, в том числе, предназначены для использования на площадках для кемпинга, природных территориях или для использования в развивающихся странах в тех случаях, когда процесс приготовления пищи часто происходит внутри помещения. Крайне важно, чтобы процесс горения был и оставался экологически чистым и эффективным. Длительный срок службы и надежное функционирование термоэлектрического элемента имеют первостепенное значение.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является дополнительное повышение срока службы и надежности систем термоэлектрического генератора.
Данная задача решается системой термоэлектрического генератора в соответствии с изобретением в том отношении, что блок управления содержит средства для управления термоэлектрическим элементом для удовлетворения существующей потребности по электропитанию, которая меньше максимальной мощности термоэлектрического элемента в одной из двух возможных рабочих точек, обеспечивающих одну и ту же мощность, и каждая из которых определяет совокупность тока и импеданса, причем одна рабочая точка имеет наибольший электрический ток из двух возможных рабочих точек.
Техническая особенность работы термоэлектрического элемента при более высоком электрическом токе, чем неукоснительно требуется для удовлетворения существующей потребности по электропитанию, является довольно неестественной, когда термоэлектрический элемент рассматривается как традиционный источник питания, т.е. отличный от термоэлектрического элемента, такой как аккумулятор. Для традиционного источника питания, такого как аккумулятор, с энергетической точки зрения нецелесообразно иметь более высокий ток, протекающий через источник питания, чем требуется из-за внутреннего сопротивления такого традиционного источника питания. В отличие от традиционных источников питания термоэлектрический элемент успешно может использоваться при уставке возрастающего электрического тока. Аспект изобретения состоит в том, что принимается во внимание представление о том, что с энергетической точки зрения термоэлектрический элемент ведет себя иначе, чем аккумуляторная батарея, и такое различие экономно используется в интересах увеличения срока службы.
В каждом из режимов работы устройства в соответствии с US 2009/0025703 A1 существующая потребность по электропитанию налагается на термоэлектрический элемент. В первом режиме потребность по электропитанию, налагаемая на термоэлектрический элемент, является нулевой и мощность, необходимая для приведения в действие вентилятора, потребляется от аккумуляторной батареи. Во втором режиме потребность по электропитанию, налагаемая на термоэлектрический элемент, рассчитана на питание вентилятора для поддержания необходимой принудительной конвекции в топочную камеру и для подзарядки аккумуляторной батареи. В третьем режиме аккумуляторная батарея полностью заряжена и налагаемая потребность по электропитанию снижается для питания вентилятора с целью поддержания необходимой принудительной конвекции в топочную камеру. В четвертом режиме потребность по электропитанию, налагаемая на термоэлектрический элемент, направлена на электропитание вентилятора с целью ускорения охлаждения печи в целом, но без разряда аккумуляторной батареи.
В нескольких режимах работы, например в тех случаях, когда аккумуляторные батареи печи полностью заряжены, термоэлектрический элемент необязательно должен генерировать максимальную мощность, которая была бы достижима в существующих условиях, таких как температура пламени и разность температур между активными поверхностями термоэлектрического элемента. В такой рабочей точке, т.е., когда существующая потребность по электропитанию, налагаемая на термоэлектрический элемент, меньше максимальной мощности, которая может генерироваться элементом в существующих условиях, блок управления ограничивает выходную мощность термоэлектрического элемента фактической или существующей потребностью по электропитанию. В существующих устройствах ограничение выходной мощности осуществляется ограничением тока, протекающего через источник питания, т.е. термоэлектрический элемент, электрическим током, который минимально требуется для удовлетворения существующей потребности по электропитанию, налагаемой на термоэлектрический элемент.
Данное изобретение основывается на представлении о том, что потребность по электропитанию, которая ниже максимально достижимой выходной мощности термоэлектрического элемента, может быть достигнута уменьшением выходной мощности системы термоэлектрического генератора без обязательного снижения электрического тока через термоэлектрический элемент до минимально требуемого электрического тока. За счет работы термоэлектрического элемента при электрическом токе, превышающем электрический ток, который является минимально требуемым для удовлетворения существующей потребности по электропитанию, тепловое сопротивление термоэлектрического элемента уменьшается. Тепловое сопротивление термоэлектрического элемента (измеряемое в К·Вт-1 или °С/Вт) выражает, насколько его первая активная поверхность и его вторая активная поверхность различаются по температуре, когда количество тепла, проходящего за единицу времени через упомянутый термоэлектрический элемент, равно одному Вт. За счет снижения теплового сопротивления тепловой баланс на термоэлектрическом элементе изменяется таким образом, что температура наиболее нагретой поверхности понижается. Термоэлектрический элемент, как правило, размещается в непосредственной близости от источника тепла, такого как топочная камера печи, в соответствии с US 2009/0025703 A1. Температура его первой поверхности приблизительно варьируется между комнатной температурой в неиспользуемом состоянии и относительно высокой рабочей температурой, такой как температура вблизи топочной камеры печи во время приготовления пищи. Это приводит к значительной тепловой нагрузке и высокой степени расширения термоэлектрического элемента при переходе от холодного состояния к его рабочей температуре. В частности, сторона термоэлектрического элемента, принимающая тепло, т.е. первая активная поверхность, подвергается такой высокой тепловой нагрузке. Было установлено, что благодаря использованию термоэлектрического элемента в соответствии с изобретением может быть достигнуто снижение максимальной температуры первой поверхности на порядок величины от 10 до 20 градусов. Даже такое снижение температуры первой активной поверхности приводит к значительному увеличению срока службы термоэлектрического элемента.
В предпочтительном варианте осуществления системы генератора в соответствии с изобретением блок управления включает в себя источник тока для приведения в действие термоэлектрического элемента при электрическом токе, превышающем электрический ток, который является минимально требуемым для удовлетворения существующей потребности по электропитанию, налагаемой на термоэлектрический элемент.
Термоэлектрический элемент, такой как описанный в US 2009/0025703 A1, может использоваться в так называемом режиме термоэлектрической «генерации». В этом режиме генерации тепло принимается одной стороной элемента, а именно первой активной поверхностью, и отводится или удаляется на второй активной или холодной поверхности элемента, причем первая и вторая активные поверхности обычно являются противоположными сторонами элемента. Тепловой поток через элемент возникает вместе с разностью температур между первой активной поверхностью и второй активной поверхностью, причем температура первой активной поверхности выше температуры второй активной поверхности. В режиме генерации генерируется электрический ток, который зависит от разности температур между первой активной поверхностью и второй активной поверхностью. В этом режиме генерации поддерживается температурный градиент на элементе, при этом тепловой поток, проходящий через модуль, преобразуется в электрическую мощность. Это известно как эффект Зеебека. В режиме генерации элементом генерируется электрическая энергия, и сгенерированная электрическая энергия может использоваться для питания других компонентов системы, таких как, например, вентилятор, аккумуляторная батарея, осветительная установка или их совокупность. Термоэлектрические элементы могут также использоваться в так называемом режиме термоэлектрического «охлаждения». В этом режиме охлаждения электрический ток подается на термоэлектрический элемент. В режиме охлаждения тепло перекачивается с одной стороны или спая (холодной стороны или холодного спая) на другую сторону или спай (горячую сторону или горячий спай). Температура холодного спая падает ниже комнатной при условии, что тепло отводится с горячей стороны. Температурный градиент будет варьироваться в соответствии с величиной подаваемого тока. В режиме охлаждения на элемент подается электрический ток, что приводит к тому, что одна сторона элемента становится холодной. Это известно как эффект Пельтье. В режиме охлаждения элементом потребляется электрическая энергия. Благодаря активной подаче электрического тока в термоэлектрический элемент источником тока эффект Пельтье может использоваться в качестве экстренной меры в случае, если первая активная поверхность, т.е. поверхность, которая достигает наивысшей температуры, перегревается. За счет обеспечения источника тока можно использовать термоэлектрический элемент в режиме его принудительного охлаждения.
В предпочтительном варианте осуществления системы генератора в соответствии с изобретением блок управления содержит средство для изменения выходного импеданса с целью получения импеданса одной рабочей точки, имеющей наивысший электрический ток и наименьший импеданс, из двух возможных рабочих точек.
Во время использования термоэлектрический элемент подключается к выходному импедансу, образуемому блоком управления и нагрузкой, такой как вентилятор и/или аккумуляторная батарея, и/или иные устройства, которые подключаются к электрическим клеммам термоэлектрического элемента. В первой экстремальной ситуации, в которой электрические клеммы термоэлектрического элемента непосредственно подключаются таким образом, что получается короткое замыкание, выходной импеданс является нулевым, и падение напряжения на выходном импедансе является нулевым. Ток через выходной импеданс ограничивается внутренним сопротивлением термоэлектрического элемента. В результате мощность, которая рассеивается и передается на выходной импеданс, в первой экстремальной ситуации является нулевой. Во второй экстремальной ситуации выходной импеданс термоэлектрического элемента является бесконечным, т.е. клеммы не подключены, поэтому ток, который протекает через элемент, является нулевым, а напряжение на бесконечном выходном импедансе является идеальным напряжением или напряжением разомкнутого источника термоэлектрического элемента. В результате мощность, которая рассеивается и передается на выходной импеданс, во второй экстремальной ситуации также является нулевой. В нормальной ситуации выходной импеданс не является ни нулевым, ни бесконечным, а представляет собой некоторое значение, промежуточное между нулем и бесконечностью. В нормальной ситуации мощность передается на выходной импеданс, поскольку имеются как электрический ток через выходной импеданс, так и напряжение на выходном импедансе. Когда выходной импеданс термоэлектрического элемента постоянно понижается от бесконечности до нуля, ток через термоэлектрический элемент повышается от нуля до величины в режиме короткого замыкания, а мощность, передаваемая на выходной импеданс, сначала увеличивается от нуля при бесконечном выходном импедансе, т.е. при второй экстремальной ситуации, до величины максимальной достижимой мощности при выходном импедансе, который является промежуточным между нулем и бесконечностью, а затем вновь уменьшается до нулевой мощности, т.е. при нулевом выходном импедансе. Следовательно, соотношение между выходным импедансом термоэлектрического элемента и мощностью, передаваемой на выходной импеданс, может быть представлено в виде графика с передним и задним фронтами. На переднем фронте мощность увеличивается с увеличением импеданса. На заднем фронте мощность уменьшается с увеличением импеданса. Возможное значение мощности между нулевой мощностью и значением максимально достижимой мощности имеется как на переднем фронте, так и на заднем фронте. Предпочтительный рабочий диапазон для термоэлектрического элемента находится на переднем фронте, поскольку на переднем фронте выходные импедансы ниже, чем на заднем фронте; это дает возможность использовать термоэлектрический элемент при более высоком электрическом токе, чем на заднем фронте, что целесообразно с точки зрения срока службы. Данное преимущество достигается очень экономичным образом, поскольку нет необходимости в дополнительных компонентах или схемах; необходимо изменить лишь уставку имеющихся схем.
В предпочтительном варианте осуществления системы генератора в соответствии с изобретением имеется датчик температуры для измерения температуры первой активной поверхности, причем сигнал датчика температуры может приниматься блоком управления, в котором электрический ток через термоэлектрический элемент может регулироваться на основе сигнала с датчика температуры.
Благодаря обратной связи по температуре первой активной поверхности можно управлять тепловой нагрузкой термоэлектрического элемента. В результате избыточных тепловых нагрузок можно избежать разумным и надежным способом и более независимо от колебаний тепловой нагрузки, которые обусловлены различными топливами или изменениями условий эксплуатации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
Фиг. 2 изображает функциональную схему системы термоэлектрического генератора в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
Фиг. 3 изображает эквивалентную схему системы термоэлектрического генератора в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения;
Фиг. 4 изображает диаграмму, которая иллюстрирует, как тепловое сопротивление термоэлектрического элемента зависит от протекающего через него электрического тока;
Фиг. 5 изображает диаграмму, которая иллюстрирует разность температур между горячей и холодной сторонами термоэлектрического элемента в зависимости от теплового сопротивления;
Фиг. 6 изображает диаграмму, которая иллюстрирует две различные рабочие точки, которые подают 1 Вт мощности для одного варианта осуществления системы термоэлектрического генератора в соответствии с изобретением; и
Фиг. 7 изображает экспериментальное подтверждение, иллюстрирующее снижение температуры первой стороны термоэлектрического элемента в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Имеющие одинаковые номера элементы на этих чертежах либо являются эквивалентными элементами, либо выполняют одну и ту же функцию. Описываемые ранее элементы не обязательно будут описываться на последующих чертежах, если их функция является эквивалентной.
На фиг. 1 изображен вариант осуществления способа в соответствии с изобретением. Данный способ может быть реализован в виде команд для исполнения процессором блока управления. На этапе 100 системой термоэлектрического генератора определяется требуемая отдача электрической мощности. Это может осуществляться блоком управления. Требуемая отдача электрической мощности представляет собой величину электрической мощности, отдаваемой термоэлектрическим элементом для питания электрической нагрузки электрической мощностью. Требуемая отдача электрической мощности может также называться предварительно определенной отдачей электрической мощности. Например, система термоэлектрического генератора используется для заряда аккумуляторной батареи, используемой для приведения в действие вентилятора, который управляет содержанием кислорода в дровяной топке или дровяной печи, при этом величина электрической мощности уменьшается, когда аккумуляторная батарея полностью заряжена. Поэтому в таком случае система термоэлектрического генератора может иметь несколько различных состояний. Например, при заряде аккумуляторной батареи электрическая мощность оптимизируется. Однако, когда аккумуляторная батарея полностью заряжена, отдача электрической мощности снижается. На этапе 102 средняя рабочая температура тепловоспринимающей поверхности термоэлектрического элемента минимизируется путем управления током через термоэлектрический элемент, например, регулированием импеданса электрической цепи, включающей в себя электрически активный материал элемента Пельтье, или регулированием напряжения на элементе Пельтье подачей дополнительного тока. Тепловоспринимающая поверхность представляет собой поверхность, которая воспринимает тепло от нагревателя. Тепло от нагревателя может проводиться на тепловоспринимающую поверхность путем кондуктивного теплообмена, теплообмена излучением и/или конвективного теплообмена.
На фиг. 2 изображен один вариант осуществления системы термоэлектрического генератора в соответствии с изобретением. Система термоэлектрического генератора содержит блок 202 управления. Блок 202 управления выполнен с возможностью регулирования протекания тока через термоэлектрический элемент 204. Термоэлектрический элемент 204 имеет тепловоспринимающую поверхность 212 и охлаждаемую поверхность 214. Тепловоспринимающая поверхность 212 соприкасается с теплопроводящим элементом 206. Теплопроводящий элемент 206 соприкасается также с нагревателем 208. Охлаждаемая поверхность 214 соприкасается с охладителем 210. Имеется тепловой поток, показанный стрелкой 216, от нагревателя 208 через теплопроводящий элемент 206 и термоэлектрический элемент 204 к охладителю 210, такому как компонент, который подвергается потоку охлаждающего воздуха, образуемому вентилятором. Показан также датчик 218 температуры, который соприкасается с тепловоспринимающей поверхностью 212 термоэлектрического элемента 204. Имеется электрическое соединение 222 между термоэлектрическим элементом 204 и блоком 202 управления. На данном чертеже также показана выходная клемма 234 на электрическом соединении 222. Выходным импедансом термоэлектрического элемента 204 может быть выходной импеданс на выходной клемме 234. В данном варианте осуществления показан процессор 226. Процессором может быть компьютер, встроенная система, микроконтроллер или любой процессор, выполненный с возможностью исполнения машиночитаемых команд. Имеется также запоминающее устройство 228, выполненное с возможностью сохранения содержимого компьютерного запоминающего устройства, при этом содержимое запоминающего устройства может считываться процессором 226. В запоминающем устройстве 228 имеется компьютерная программа 230, которая содержит машиночитаемые команды. При выполнении программы 230 процессором 228 блока 202 управления она реализует вариант осуществления способа в соответствии с изобретением. Показана электрическая нагрузка 232, которая подключается к блоку 202 управления.
В зависимости от электрической мощности, которая передается в нагрузку 232, блок 202 управления регулирует ток, генерируемый термоэлектрическим элементом 204. Компьютерная программа 230 может иметь алгоритмы для адаптивного регулирования протекания тока через термоэлектрический элемент 204 с помощью системы с обратной связью. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения компьютерная программа 230 может содержать таблицу соответствия для работы системы термоэлектрического генератора. Блок 202 управления необязательно должен управляться процессором 226. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения может быть создана аналоговая схема, которая может использоваться для регулирования тока через термоэлектрический элемент 204.
На фиг. 3 изображен пример схемы, которая может использоваться для иллюстрирования функционирования одного варианта осуществления системы термоэлектрического генератора в соответствии с изобретением. Имеется эквивалентная схема Тевенина, которая электрически представляет термоэлектрический элемент 204. Имеется сопротивление 232, которое соответствует электрической нагрузке, например вентилятору, который подает охлаждающий воздух, как указано выше. Электрическая нагрузка подключается к блоку 202 управления. На соединении между эквивалентной схемой 204 и блоком 202 управления находится выходная клемма 234. Выходная клемма 234 является выходом эквивалентной схемы 204, представляющей термоэлектрический элемент. Выходной импеданс эквивалентной схемы 204, представляющей термоэлектрический элемент, может измеряться на выходной клемме 234. В этом примере выходным импедансом эквивалентной схемы 204 является сопротивление 235.
В этом примере генератор 300 импульсов имеет коэффициент заполнения, управляемый процессором 226. Коэффициент заполнения генератора 300 импульсов управляет выходным напряжением блока 202 управления. Если выходное напряжение меньше максимального, всегда имеются два коэффициента заполнения, при которых выходное напряжение и ток одинаковы. При более высоком из двух значений коэффициента заполнения ток через элемент Пельтье или термоэлектрический элемент 204 будет наибольшим. Элемент Пельтье представляет собой тип термоэлектрического элемента. При этом комментарии в отношении элемента Пельтье применимы и к другим типам термоэлектрических элементов, если не указано иное. Когда ток через термоэлектрический элемент 204 является наибольшим, выходной импеданс на клемме 234 является наименьшим.
Фиг. 4 изображает, как тепловое сопротивление элемента Пельтье типа ТЕР1-12235-2.0Н зависит от протекающего через него электрического тока. По оси х 400 отложено время в секундах. Тепловое сопротивление отложено по оси y и обозначено номером 402. Показаны два отдельных эксперимента. Первый эксперимент показан на участке кривой, обозначенном номером 404: через термоэлектрический элемент пропускается 50 Вт. Второй эксперимент показан на участке кривой, обозначенном номером 406: через термоэлектрический элемент пропускается 100 Вт. Каждый из этих двух экспериментов разделяется на временные интервалы. На временном интервале 408 термоэлектрический элемент является разомкнутой цепью или имеет бесконечную нагрузку. На временном интервале 410 элемент Пельтье или термоэлектрический элемент закорочен. В это время нагрузка на элементе Пельтье отсутствует.
Отсюда видно, что тепловое сопротивление является наибольшим, когда элемент Пельтье или термоэлектрический элемент разомкнут или имеет бесконечную нагрузку. За счет уменьшения импеданса нагрузки или закорачивания элемента Пельтье тепловое сопротивление снижается. Тепловое сопротивление в данном случае может также называться термическим сопротивлением. Это приведет к увеличенному тепловому потоку, если накопители для нагревания и охлаждения поддерживаются при одинаковых температурах. Если проводящий элемент располагается между первой или горячей стороной термоэлектрического элемента и источником тепла, температура горячей или первой стороны элемента Пельтье понизится. Данный чертеж иллюстрирует, как тепловое сопротивление термоэлектрического элемента (или элемента Пельтье) зависит от протекающего через него электрического тока.
Внешнее сопротивление изменялось с разомкнутого соединения на замкнутое (бесконечное и 0 сопротивление). Затем прикладывалась оптимальная нагрузка: внешнее сопротивление или нагрузка элемента Пельтье Rext, равная внутреннему сопротивлению элемента Пельтье Rint. Из этого измерения следует, что тепловое сопротивление элемента Пельтье типа ТЕР1-12235-2.0Н составляет с точностью оценки до первого порядка: 1,8-0,4*(Rint/(Rint + Rext)).
На фиг. 5 изображен пример температуры горячей и холодной сторон элемента Пельтье в зависимости от изменений теплового сопротивления блока Пельтье. Для данного эксперимента кухонная печь, как описано у Ван Дер Слуйса и др., моделировалась с помощью линейной модели. По оси х 500 отложено тепловое сопротивление элемента Пельтье, выражаемое в единицах К/Вт. По оси Y отложена температура 502 в градусах Цельсия. Кривой 504 показана температура горячей или первой стороны элемента Пельтье. Кривой, обозначенной 506, показана температура холодной или второй стороны элемента Пельтье 506. Линия 508 является линейным приближением к измерениям 504 горячей стороны. Уравнение 510 показывает это линейное приближение. Данный чертеж демонстрирует, что управление температурой 504 горячей стороны элемента Пельтье может осуществляться путем управления тепловым сопротивлением 500. Управление тепловым сопротивлением может осуществляться путем управления током через элемент Пельтье, как было показано на фиг. 4.
Когда аккумуляторные батареи печи полностью заряжены, элементу Пельтье не обязательно необходимо генерировать максимальную величину мощности. Во время заряда нагрузка является оптимальной (внешнее сопротивление равно внутреннему сопротивлению). В тех случаях, когда необходима меньшая мощность, внешнее сопротивление возрастает, поэтому через систему протекает меньший ток и генерируется меньшая мощность. Таким образом, обычно используются все источники питания (например, аккумуляторная батарея: если нужна меньшая мощность, повышают сопротивление нагрузки).
Варианты осуществления изобретения могут иметь аспект, состоящий в том, что предпочтительно уменьшать электрическую мощность снижением внешнего сопротивления, генерируя больший ток, но меньшую мощность. В этом случае больше мощности рассеивается внутри элемента Пельтье.
Фиг. 6 изображает две различные рабочие точки 609 и 611, обозначенные линиями 610 и 612, которые подают 1 Вт мощности с различными температурами на горячей или первой стороне элемента Пельтье. Линия 610 проходит через низкотемпературную рабочую точку 609, а линия 612 проходит через высокотемпературную рабочую точку 611. Для данного примера вновь используется вышеупомянутая линейная модель. По оси х 600 отложено внешнее сопротивление Rext в Омах. Внешнее сопротивление может также называться электрической нагрузкой. По оси y 602 отложена внешняя мощность (Вт), поделенная на ток (А). По оси y также отложена температура в градусах Цельсия. Кривой, обозначенной номером 604, показана внешняя мощность, выдаваемая системой термоэлектрического генератора кухонной печи. Кривая, обозначенная номером 604, имеет колоколообразную форму, поскольку при низких внешних сопротивлениях большая часть электрической энергии рассеивается в термоэлектрическом генераторе. При более высоких внешних сопротивлениях большое сопротивление ограничивает протекание тока. Такой уменьшенный ток ограничивает передачу мощности в электрическую нагрузку.
Кривой 606 показан ток через элемент Пельтье. Кривой 608 показана температура горячей или первой стороны элемента Пельтье. С увеличением внешнего сопротивления внешняя мощность 604 повышается, а затем вновь понижается. Ток 606 максимален, когда внешнее сопротивление является наименьшим, а затем уменьшается с увеличением внешнего сопротивления. Температура горячей или первой стороны элемента Пельтье повышается с увеличением внешнего сопротивления. Поскольку внешняя мощность 604 повышается, а затем вновь понижается, имеются две точки, в которых внешняя мощность составляет 1 Вт. Это точки, обозначенные номерами 610 и 612. В точке 610 ток 606 выше, а температура 608 ниже, чем в точке 612. На фиг. 6 показано, как могут существовать две рабочие точки 609, 611 на пересечении вертикальных линий 610 и 612 с кривой 604 для одной и той же внешней мощности на единицу тока. Это также иллюстрирует, как может работать горячая или первая сторона элемента Пельтье при пониженной температуре. Использование элемента Пельтье в точке 610 понижает температуру на более горячей первой стороне элемента Пельтье и, следовательно, увеличивает полезный срок службы элемента Пельтье. Это уменьшает вероятность того, что понадобится замена элемента Пельтье.
В верхней рабочей точке (моделируемая) температура составляет приблизительно 268°С. В нижней рабочей точке температура составляет приблизительно 250°С. Чтобы полностью понять изобретение, следует упомянуть, что в зависимости от рабочей температуры срок службы изменяется довольно резко или быстро. Поэтому такое различие может оказывать существенное влияние на срок службы элемента Пельтье и, следовательно, желательно, чтобы программное обеспечение работало в нижней рабочей точке.
На фиг. 7 изображены измерения с помощью варианта осуществления способа, применимого к кухонной печи, описанной у Ван Дер Слуйса и др. Время по оси х 700 указано в секундах. Вертикальная шкала 702 используется для указания температуры в градусах Цельсия. Дополнительная вертикальная шкала 704 используется для указания электрического тока в А. Кривой 712 показана температура горячей или первой стороны элемента Пельтье. Значения, относящиеся к кривой 712, указаны температурной шкалой в левой части чертежа. Кривой 714 показан ток через элемент Пельтье. Как можно заключить из фиг. 7, в течение временного интервала, обозначенного числом 706, элемент Пельтье используется в режиме высокого тока, в котором подаются значения тока около 0,08 А. В течение временного интервала 708 элемент Пельтье используется в рабочей точке низкого тока (при значениях тока около 0,015 А). При более высоком токе (интервал 706) температура является относительно низкой (210 градусов Цельсия) по сравнению с интервалом 708, на котором ток является низким, а температура относительно высока (234 градуса Цельсия). При этом разность температур составляет приблизительно 24 градуса Цельсия. Разность температур показана двумя пунктирными линиями. Этим иллюстрируется, как может быть понижена максимальная рабочая температура горячей или первой стороны термоэлектрического элемента.
Несмотря на то, что изобретение подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в предшествующем описании, такое иллюстрирование и описание должны считаться иллюстративным или пояснительным; изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления.
Например, можно использовать изобретение в варианте осуществления, в котором аспект портативности отсутствует, например в печи или в устройстве для приготовления на гриле, которое размещается стационарно и которое не предназначалось или специально конструировалось в расчете на портативность. Однако термоэлектрическая технология может дать особые преимущества при применении в портативных устройствах ввиду компактности и энергоэффективности. Возможно также, что система термоэлектрического генератора содержит источник тепла, такой как радиоактивный элемент, содержащий радиоизотоп, двигатель внутреннего сгорания, выпускной трубопровод, поверхность, нагретую солнечным излучением, поверхность, нагретую тепловым излучением, поверхность, нагретую горячими газами, или поверхность, нагретую механическим трением.
По результатам изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения специалистами при реализации заявленного изобретения могут быть поняты и осуществлены другие изменения описанных вариантов осуществления. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или шаги, а единственное число не исключает множественного. Одиночный процессор или иной блок может выполнять функции нескольких элементов, упоминаемых в формуле изобретения. Сам по себе тот факт, что некоторые критерии излагаются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих критериев не может использоваться с пользой. Любые условные обозначения в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую. Сущность: система термоэлектрического генератора содержит блок (202) управления и термоэлектрический элемент (204) с тепловоспринимающей поверхностью (212) и охлаждаемой поверхностью (214). Тепло (216) поступает от нагревателя (208) через термоэлектрический генератор (204). В зависимости от электрической мощности, которая передается в нагрузку (232), блок (202) управления регулирует ток, генерируемый термоэлектрическим генератором (204). Электрический ток через термоэлектрический элемент (204) используется для ограничения рабочей температуры тепловоспринимающей поверхности (212). Технический результат: повышение срока службы и надежности термоэлектрического генератора. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Система термоэлектрического генератора, содержащая:
- термоэлектрический элемент (204), который способен преобразовывать разность температур между первой активной поверхностью (212) элемента и второй активной поверхностью элемента в электричество для генерирования электрической мощности из тепловой энергии во время использования системы; и
- блок (202) управления для управления электрической мощностью, генерируемой элементом в соответствии с существующей потребностью по электропитанию, налагаемой на термоэлектрический элемент во время использования,
отличающаяся тем, что блок (202) управления содержит средство для управления термоэлектрическим элементом для существующей потребности по электропитанию, меньшей максимальной мощности термоэлектрического элемента в одной из двух возможных рабочих точек, обеспечивающих одну и ту же мощность, и каждая из которых определяет совокупность тока и импеданса, причем одна рабочая точка имеет наибольший электрический ток из двух возможных рабочих точек.
2. Система термоэлектрического генератора по п.1, в которой блок управления включает в себя источник тока для приведения в действие термоэлектрического элемента при электрическом токе, превышающем электрический ток, который является минимально требуемым для удовлетворения существующей потребности по электропитанию, налагаемой на термоэлектрический элемент.
3. Система термоэлектрического генератора по п.1, в которой блок управления содержит средство для изменения выходного импеданса с целью получения импеданса одной рабочей точки, имеющей наибольший электрический ток и наименьший импеданс, из двух возможных рабочих точек.
4. Система термоэлектрического генератора по п.1, содержащая датчик (218) температуры для измерения температуры первой активной поверхности, причем сигнал датчика температуры принимается блоком управления, причем электрический ток через термоэлектрический элемент может регулироваться на основе сигнала с датчика температуры.
5. Система термоэлектрического генератора по п.1, выполненная с возможностью использования в качестве печи на твердом топливе благодаря наличию
- топочной камеры для вмещения топлива с целью сжигания для получения тепловой энергии во время использования печи,
- нагрузки (232), содержащей вентилятор, имеющий электрический двигатель и лопастное колесо, который выполнен с возможностью подачи воздуха в топочную камеру,
- причем вторая активная поверхность выполнена с возможностью приема охлаждающего потока от вентилятора во время использования печи и первая активная поверхность размещена между второй активной поверхностью и топочной камерой.
6. Система термоэлектрического генератора по п.5, в которой нагрузка (232) содержит перезаряжаемую аккумуляторную батарею.
7. Система термоэлектрического генератора по п.5, которая является портативной.
8. Система термоэлектрического генератора по п.2, содержащая теплопроводящий элемент (206) для проведения тепла между топочной камерой и первой активной поверхностью.
9. Система термоэлектрического генератора по п.1, в которой блок управления содержит один или более процессоров (226), запоминающее устройство (228) и одну или более программ (230); в которой одна или более программ хранятся в запоминающем устройстве и выполнены с возможностью исполнения одним или более процессором, причем одна или более программ содержат:
- команды для определения (100) требуемой отдачи электрической мощности системой термоэлектрического генератора; и
- команды для минимизации (102) рабочей температуры путем управления током к току одной рабочей точки, имеющей наибольший электрический ток, из двух возможных рабочих точек.
10. Система термоэлектрического генератора по п.1, включающая в себя источник (208) тепла для подачи тепловой энергии во время использования системы термоэлектрического генератора на первую активную поверхность (212) термоэлектрического элемента.
| УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ В ПЛИТЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИЩИ | 2006 |
|
RU2402717C2 |
| ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БЛОК ПИТАНИЯ | 2006 |
|
RU2329569C1 |
| EP 1564822 A2, 17.08.2005 | |||
| US2009250091 A1, 08.10.2009 | |||
| JP 2007005371 A1, 11.01.2007 | |||
| Коммутационное устройство для контроля | 1983 |
|
SU1174996A1 |
