СПОСОБ РАБОТЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 2017 года по МПК H01J45/00 F24J2/42 

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 η_Ф ФЭ определяется формулой:

где η_о - КПД при стандартных условиях: Т=Т_о=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 T_кол и температурой воздуха T_возд [http://www.energy-bio.ru/suncoll6.htm]. Максимальный КПД все типы СК имеют при T_кол=Т_возд, 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 (T_кол-T_возд) он будет иметь вид:

где η₀=90 - КПД при стандартных условиях: Т=Т_о=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 α_A и α_B (таблица 1). При разных температурах Т₀ и T_L 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(ρ₁+ρ₂)=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 Т_пл°C, теплота плавления Q_пл (кДж/кг) и плотность ρ_тв (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 I_ТЭ1, 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 I_ФЭ, 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 I_ТЭ2, 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 I_ТЭ3, 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 I_ТЭ4, далее тепло передается на радиатор, а дополнительные токи I_ФЭ, I_ТЭ2, I_ТЭ3 и I_ТЭ4 по проводам передаются в блок управления.

Первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода, причем Т₂>Т₃>Т₁.

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 Т₂>Т₃>Т₁), 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 U_ТЭ (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 Т_К 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 I_ФЭ, 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 I_ТЭ2.

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 I_ТЭ3.

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 I_ТЭ4, далее тепло передается на радиатор.

Дополнительные токи I_ФЭ, I_ТЭ2, I_ТЭ3 и I_ТЭ4 по проводам передаются в блок управления.

Первый, второй и третий ТАМ имеют разные температуры экзотермического фазового перехода, причем Т₂>Т₃>Т₁.

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 T_К1, Т_К2 и Т_K3 (причем T_K2>T_K3>7_K1), 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 T_K2=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 T_K3=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 Т_К1=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_TЭ (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 Т_K2=116°C, Т_K3=58°C и Т_К1=29.7°C. Как видно из графиков, все три ТАМ вырабатывают термоэлектрическое напряжение U_ТЭ (мВ), снижающееся после первоначального значения U_ТЭ (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 U_ТЭ (мВ)=30 мВ. Затем, на 12-й минуте наблюдается второй ЭФП в ТАМ Na₂S₂O₃⋅5H₂O (кривая 2), длившийся 16 минут и давший прирост U_ТЭ (мВ)=50 мВ. Наконец, на 60-й минуте остывания наблюдается третий ЭФП в ТАМ СаСl₂⋅6Н₂O (кривая 3), длившийся 3 часа и давший прирост U_ТЭ (мВ)=200 мВ. Далее по мере остывания процесс генерации с U_ТЭ (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 T_K2=116°C, T_K3=58°C и T_K1=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, U_H=12 В, U_XX=22 В, U_р=18 В, I_K3=0.92 А, I_P=0.83 A, W_P=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 U_ТЭ (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 U_ТЭ (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 U_MAX (В)=16.3 В, ток I_МАХ=3.7 А при перепаде температур ΔT≈70°C, ТЭГ обеспечил максимальную мощность Р_МАХ=37.4 ВА. Термоэлемент типа K1-241-1,4/1,1-GL-S с U_MAX (В)=18 В, током L_МАХ=5,5 А при перепаде температур ΔT≈70°C, обеспечивает максимальную мощность Р_MAX=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 U_ТЭ=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).

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>T₃>Т₁), 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.

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 I_ТЭ1, 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 I_ФЭ, 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 I_ТЭ2, 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 I_ТЭ3, 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 I_ТЭ4, далее тепло передается на радиатор, а дополнительные токи I_ФЭ, I_ТЭ2, I_ТЭ3 и I_ТЭ4 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 Т₂>Т₃>Т₁.

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.