Термоэлектрогенератор на основе эффекта Зеебека Российский патент 2024 года по МПК F24H3/06 H10N10/10 H10N10/17 

Изобретение относится к области термоэлектрических источников электроэнергии, основанных на эффекте Зеебека, а именно к автономным термоэлектрическим источникам электроэнергии. Устройство предназначено для получения тепловой и электрической энергии, применяемой для снабжения жилых или промышленных зданий и сооружений и обеспечения автономной работы теплоэлектрогенератора. В основе работы данного устройства лежит физический принцип, основанный на эффекте Зеебека, применяемый для генерации электрического тока с помощью термоэлектрического генераторного модуля встроенного в контур теплообменника.

Известно устройство с термоэлектрическим генератором, содержащее корпус ассимметричной формы, внутри которого размещены теплообменные трубы, вентилятор с электродвигателем, закрепленный на входном торце, при этом электродвигатель соединен электрическими проводами с источником электроэнергии, а в качестве источника электроэнергии использован термоэлектрический генератор, содержащий термоэлектрические элементы, зажатые между теплоподводящими и теплоотводящим радиаторами. Причем теплоподводящий радиатор выполнен Т-образной формы, термоэлектрические элементы закреплены под кожухом, в свою очередь, закрепленным на корпусе 1, и зажаты между теплоподводящим и теплоотводящим радиаторами. Теплоотводящий радиатор выполнен в форме пластины, оребренной, с одной стороны, а отношение площади рабочей поверхности теплоотводящего радиатора S1 к площади термоэлектрического элемента в плане S0 может быть выполнено в диапазоне: S1/S0=2-8, где S0 - площадь термоэлектрического элемента в плане S0, S1 - площадь рабочей поверхности теплоотводящего радиатора S1. В качестве термоэлектрических элементов могут быть использованы элементы Зеебека (RU №2697406, МПК F24H 3/06; F24H 3/08; F24H 3/10, опубл. 14.08.2019).

Недостатком такого устройства является сравнительно низкое КПД термоэлектрических модулей вследствие их малой площади теплообмена и небольшой разницей температур между горячей и холодной стороной теплообменника.

Известно устройство с термоэлектрическим генератором, содержащее печь, работающую на любом твердом топливе (дрова, уголь, торф, топливные брикеты). На стенке печи закреплен один, или два (на противоположных стенках), или несколько термоэлектрических генераторов (ТЭГ). Каждый термоэлектрический генератор имеет средство для его подвижного закрепления на стенке печи. Это средство включает опорную нагреваемую металлическую пластину, жестко соединенную со стенкой печи, и тепловыравнивающую металлическую пластину, являющуюся общим основанием для термоэлектрических генераторных модулей. Тепловыравнивающая пластина подвешена на пластине при помощи шарнира - петель с горизонтальной осью вращения. Термоэлектрические генераторные модули по горячей стороне установлены на металлических теплопроводящих блоках и отделены друг от друга теплоизоляционным материалом. Холодные спаи модулей контактируют с радиатором (одним или несколькими) воздушного охлаждения. Для улучшения теплоотвода радиатор может иметь массивные ребра, предпочтительно, вертикально ориентированные. Термоэлектрический генератор может иметь вентилятор, питаемый электроэнергией, вырабатываемой самим ТЭГом (вентилятор собственных нужд). Элементы ТЭГа закрыты кожухом с защитной решеткой. Возможность создания регулируемого зазора между ТЭГом и стенкой печи обеспечивается применением биметаллических пластин, размещенных между тепловыравнивающей пластиной и опорной нагреваемой пластиной (RU №95183, МПК H01L 35/28; F24B 1/00; F24D 5/00, опубл. 10.06.2010).

Данное устройство имеет низкую энергоэффективность вследствие использования в качестве источника тепла твердого топлива, что в свою очередь не позволяет осуществлять автономную регулировку выработки тепловой энергии и приводит к перерасходу топлива. Также в следствии использования воздушного охлаждения на сторонах горячего и холодного теплообменника не обеспечивается оптимальная разность температур, что негативно сказывается на КПД получаемой электрической энергии. Еще одним недостатком данного устройства является малая площадь покрытия термоэлектрическим генераторным модулем поверхности горячего теплообменника, что также снижает КПД вырабатываемой электрической энергии.

Известно устройство с термоэлектрическим генератором, содержащее батарею термоэлектрических генераторов, горячая сторона которой соединена с нагревательным элементом, а холодная сторона, которой соединена с радиатором. Нагревательный элемент представляет собой горелку с системой электрического зажигания, которая соединена с емкостью для хранения газообразного топлива (например, метан, пропан, бутан) посредством газовой линии, на которой установлен электрический регулировочный клапан. На нагревательном элементе и на радиаторе установлены датчики температуры. Система управления реализована в виде электрической схемы, собранной на плате управления, к которой присоединяются электрические выводы от батареи термоэлектрических генераторов, от аккумуляторной батареи, и на которой установлены: коммутирующее устройство, преобразователь напряжения, контроллер управления, панель индикации и управления, разъем (например, по формату USB) для присоединения заряжаемого устройства (RU №192304, МПК H01L 35/28, опубл. 12.09.2019).

Недостатком такого устройства является низкое КПД термоэлектрических модулей вследствие их малой площади теплообмена и небольшой разницей температур между горячей и холодной стороной теплообменника. В устройстве также отсутствует система контроля пламени горелки, что в свою очередь снижает безопасность эксплуатации данного устройства.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, которое содержит охлаждающий теплообменник, горячий теплообменник, между которыми размещен по меньшей мере один термоэлектрический генераторный модуль, холодная сторона которого обращена к охлаждающему теплообменнику, горячая сторона обращена к горячему теплообменнику, при этом обращенные к теплообменникам плоскости термоэлектрического генераторного модуля снабжены слоем теплопроводящей пасты. Охлаждающий теплообменник выполнен из материала с высокой теплопроводностью, имеет по меньшей мере один канал для прохождения жидкости и снабжен штуцерами для подключения труб средства охлаждения охлаждающего теплообменника, состоящею из соединенного трубами с циркуляционным насосом охлаждающего радиатора, на котором закреплен вентилятор. Горячий теплообменник представляет собой воздушный радиатор, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, при этом источник тепла размещен под горячим теплообменником и представляет собой излучатель тепловой энергии в виде горелки, соединяемой с емкостью с углеводородным топливом. Горелка снабжена электрическим краном, блоком электрического розжига и датчиком контроля пламени. Первый термодатчик установлен на корпусе горячего теплообменника. Второй термодатчик установлен на корпусе охлаждающего радиатора. Термоэлектрический генератор имеет блок управления с кнопками управления режимами, индикаторами и разъемом для подключения потребителей (RU №2767007, МПК H01L 35/32; F25B 21/02, опубл. 16.03.2022).

Недостатком данного устройства является ограниченная площадь обогрева окружающего пространства в связи с особенностями конструкторского исполнения воздушного теплообменника, в частности малой площади покрытия воздушного пространства в связи с точечным отводом теплоты. Так же в устройстве термоэлектрические генераторные модули расположены только с одной стороны горячего теплообменника, что приводит к высоким теплопотерям и низкой энергоэффективности из -за малой площади теплообмена. В устройстве отсутствую некоторые элементы группы безопасности такие как: реле давления, контролирующее допустимое давление в контуре; пневмореле, контролирующее процесс удаления дымовых газов из камеры горения. Техническое исполнение термоэлектрического генератора не позволяет использовать термоэлектрический генераторные модули на устройствах с похожим функциональным назначением.

Технический результат, предлагаемый изобретением, заключается в достижении достаточной эффективности и коэффициенте полезного действия (КПД) теплоэлектрогенератора для его автономной работы с возможностью получения потребителем тепловой и электрической энергии.

Дополнительным результатом является эргономичное конструкторское исполнение, позволяющее адаптировать термоэлектрический генераторный модуль, располагающийся в контуре коаксиального теплообменника теплоэлектрогенератора, в устройствах с трубными газовыми и водными теплообменниками.

Технический результат, предлагаемый изобретением, достигается за счет использования в составе устройства теплообменника теплоэлектрогенератора термоэлектрических генераторных модулей, выполненных в особой конфигурации, в совокупности представляющих собой последовательно соединенную электрическую цепь, образованную внешними и внутренними электропроводящими коммутационными пластинами и ветвями из полупроводниковых элементов «p» и «n» типа с разным коэффициентом теплопроводности. Данная цепь располагается между стенками коаксиального теплообменника, с холодной (внутренней) и горячей (внешней) стенкой, покрытого с внутренних сторон горячих и холодных теплообменников электроизолирующим материалом и состоит из последовательно соединенных колец: холодных и горячих коммутационных электропроводящих пластин; полупроводниковых элементов «p» и «n» типа; электроизолирующего материала, ограничивающего утечку электрического тока.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется графически (Фиг. 1-3). На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства теплоэлектрогенератора, где 1 – теплообменник, предназначенный для отвода тепла к холодному теплоносителю, 2 – термоэлектрический генераторный модуль, предназначенный для получения термо – ЭДС, 3 – положительный потенциал (плюс), 4 – отрицательный потенциал (минус), 5 - газовая горелка, предназначенная для образования смеси газообразного углеводородного топлива с воздухом и подачи ее к месту сжигания, 6 - электрод розжига, необходимый для детонации газовоздушной смеси и контроля наличия пламени, 7 – вентилятор, вытягивающий дымовые газы из топки котла, 8 – пневмореле, выполняющее функцию контроля работы вентилятора, 9 – термостат, контролирующий температуру в отопительном контуре, 10 – нагнетающий дымоход, запускающий свежий воздух в топку горения, 11 – вытяжной дымоход, вытягивающий дымовые газы из топки газового котла, 12 – вытяжной купол, направляющий отработанные дымовые газы в вытяжной дымоход, 13 – корпус замкнутой камеры горения, конструкционно объединяющий элементы камеры горения, препятствующий перегреву оборудования и утечке дымовых газов, 14 – реле давления, сообщающее блоку управления значение давления в контуре, 15 - коммутационный кабель, соединяющий реле давления и блок управления, 16 - коммутационный кабель, соединяющий термостат и блок управления, 17 – коммутационный кабель, соединяющий пневмореле и блок управления, 18 – коммутационный кабель, соединяющий электрод розжига и блок управления, 19 – коммутационный кабель, соединяющий запорный клапан и блок управления, 20 – преобразователь постоянного тока, преобразующий источник постоянного тока с одного уровня напряжения на другой, 21 – коммутационный кабель, соединяющий термоэлектрический генераторный модуль и преобразователь постоянного тока, 22 - коммутационный кабель, соединяющий центробежный циркуляционный насос и блок управления, 23 – коммутационный кабель, соединяющий вентилятор и блок управления, 24 – центробежный насос, приводящий теплоноситель в движение, заставляя его циркулировать по отопительному контуру, 25 – блок управления, содержащий встроенную аккумуляторную батарею, устройство коммутации, преобразователь постоянного тока и микропроцессор, программа которого обеспечивает подачу управляющих сигналов, переключение режимов работы устройства коммутации, подачу аварийных сигналов при нарушении режимов работы устройства и прочие управляющие работой устройства функции, 26 – запорный клапан, регулирующий подачу газовоздушного углеводородного топлива на форсунки горелки, 27 – расширительный бак, предназначенный для приёма избытка теплоносителя, возникающего при его тепловом расширении в результате нагревания, 28,30 – задвижки ручные, перекрывающие циркуляцию теплоносителя в отопительном контуре в случае необходимости, 29 – задвижка ручная, перекрывающая канал движения газовоздушной смеси, 31 – корпус теплоэлектрогенератора, объединяющий все элементы конструкции теплоэлектрогенератора и защищающий их от механического и химического воздействия окружающей среды, 32 – охлаждающий радиатор, отводящий теплоту теплоносителя отопительного контура, отдавая ее в окружающее пространство, 33 – отопительный контур, по которому циркулирует теплоноситель, 41 – внешний разъем, предназначенный для электропитания внешних потребителей.

На фиг.2 показано конструкторское исполнение фрагмента трубного теплообменника со встроенным термоэлектрическим генераторным модулем, где 34 – горячий теплообменник, передающий тепловой поток от разогретых дымовых газов на внешние коммутационные электропроводящие пластины и ограничивающий утечку электрического тока за счет нанесенного на обращенную к коммутационным пластинам сторону электроизоляционного теплопереходного слоя, 35 – холодный теплообменник, передающий тепловой поток от внутренних коммутационных пластин теплоносителю и ограничивающий утечку электрического тока за счет нанесенного на обращенную к коммутационным пластинам сторону электроизоляционного теплопереходного слоя, 36,37 – внешние и внутренние коммутационные пластины выполняющие функцию распределения теплового потока на полупроводниковых элементах и передачу электрического тока между ними, 38,39 – термоэлементы «p» и «n» типа проводимости с разным коэффициентом теплопроводности, необходимые для создания на границах внутренних и внешних коммутационных токопроводящих пластин градиента температур, 40 - пластичный электроизолирующий слой, препятствующий прямому соприкосновению термоэлектрических элементов и коммутационных пластин, обеспечивающий гибкость конструкции термоэлектрического генераторного модуля.

На фиг.3 изображено устройство термоэлектрического генераторного модуля в плоском варианте исполнения, где 34 – горячий теплообменник, передающий тепловой поток от разогретых дымовых газов на внешние коммутационные электропроводящие пластины и ограничивающий утечку электрического тока за счет нанесенного на обращенную к коммутационным пластинам сторону электроизоляционного теплопереходного слоя, 35 – холодный теплообменник, передающий тепловой поток от внутренних коммутационных пластин теплоносителю и ограничивающий утечку электрического тока за счет нанесенного на обращенную к коммутационным пластинам сторону электроизоляционного теплопереходного слоя, 36,37 – внешние и внутренние коммутационные пластины выполняющие функцию распределения теплового потока на полупроводниковых элементах и передачу электрического тока между ними, 38,39 – термоэлементы «p» и «n» типа проводимости с разным коэффициентом теплопроводности, необходимые для создания на границах внутренних и внешних коммутационных токопроводящих пластин градиента температур, 40 - пластичный электроизолирующий слой, препятствующий прямому соприкосновению термоэлектрических элементов и коммутационных пластин, обеспечивающий гибкость конструкции термоэлектрического генераторного модуля.

Заявленное устройство теплоэлектрогенератора работает следующим образом.

Для начала работы теплоэлектрогенератора необходимо к горелке (5) источника тепла подключить резервуар с углеводородным топливом (на чертеже не изображен) предварительно открыв задвижку (29), после чего активировать работу теплоэлектрогенератора через внешнюю панель блока управления (25). В соответствии с программой микропроцессора на блоке управления (25), при запуске котла на контур отопления (33), сначала проверяется термостат перегрева (9), соединенный кабелем (17) с блоком управления (25), если температура термостата (9) в норме и не превышает заданных параметров, то система продолжает проверку. Далее идет опрос реле давления (14), подключенное кабелем (15) к блоку управления (25), если реле давления (14) замкнуто, значит давление в контуре не превышает допустимого для нормальной работы теплоэлектрогенератора. В последнюю очередь проверяется пневмореле (8) на вентиляторе (5), соединенное кабелем (16) с блоком управления (25), оно должно давать разомкнутый контакт.

Если по всем элементам не выявлено никаких нарушений, автоматика теплоэлектрогенератора запускает циркуляционный насос (24), соединенный кабелем (22) с блоком управления (25), питающийся от батарейного аккумулятора (на чертеже не изображен), встроенного в блок управления (25) и в контуре появляется циркуляция теплоносителя по трубам (33). Следующим этапом автоматика подает питание на вентилятор (7), от встроенного в блок управления (25) батарейного аккумулятора (на чертеже не изображен). Если вентилятор (7) исправен и в коаксиальном вытяжном (11) и нагнетающем (10) дымоходе создается достаточное давление для работы горелки (5) то в течение пяти секунд на электрод розжига (6) подается искра для детонации газововоздушной смеси. Одновременно с запуском электрода (6) открывается запорный клапан (26), после чего на форсунки горелки (5) подается газовоздушная смесь, которая, детонируя от искры электрода розжига (6), приобретает форму факела.

Факел горелки, омывая холодный контур теплообменника (34), сообщает ему теплоту +Q, передающуюся охлаждающей жидкости, циркулирующей по контуру (33). Охлаждающая жидкость отдает теплоту – Q охлаждающему радиатору (32), охлаждающему холодный теплообменник (34), что приводит к достижению необходимой разности температур на горячих и холодных сторонах термоэлектрического генераторного модуля (2).

Тепловой поток, проходя через горячий теплообменник (34), переходит на термоэлектрический генераторный модуль (2), нагревает внешние электропроводящие коммутационные пластины (36). Внешние коммутационные пластины (36) распределяют тепловой поток на ветвях «p» (38) и «n» типа (39) проводимости с разным коэффициентом теплопроводности, в следствии чего на границах полупроводников (38-39) и на краях внешних и внутренних коммутационных токопроводящих пластин (36-37) создается градиент температур. Градиент температур на границах элементов термоэлектрического модуля (2) за счет эффекта Зеебека вызывает термо-электродвижущую силу, создающую на концах цепи, образованной внешними и внутренними коммутационными электропроводящими пластинами (36-37) и ветвями «p»-(38) и «n» (39) типа, разность потенциалов (плюс) (3) и (минус) (4). ЭДС генерируется на концах преобразователя постоянного тока (20), соединенного кабелем (18) с термоэлектрическим генераторным модулем (2), и перенаправляется на коммутационное устройство (на чертеже не изображено) в блок управления (25).

Электричество, полученное от коммутационного устройства блока управления (25), используется для осуществления автономной работы циркуляционного насоса (24), вентилятора (7), подзарядки встроенного в блок управления (25) аккумулятора, питания микропроцессора, а также питания внешних потребителей через разъем (41). Далее происходит увеличение температуры горячего теплообменника (34) и увеличение вырабатываемой тепловой и электрической мощности устройства в зависимости от потребностей пользователя в тепловой и электрической энергии.

Программа микропроцессора позволяет поддерживать генерируемую тепловую и/или электрическую мощность в требуемом пределе путем обработки сигналов от термостата (9) и термоэлектрического модуля (2) и подачи управляющих сигналов на запорный клапан (26) для подачи топлива горелки, а также позволяет ограничить количество подаваемого топлива во избежание перегрева термоэлектрического генераторного модуля.

Возможно выполнение термоэлектрогенератора на основе эффекта Зеебека в ином варианте, благодаря универсальной конструкции термоэлектрического генераторного модуля конфигурация теплообменника со встроенным термоэлектрическим генераторным модулем позволяет производить его монтаж с заменой на любое другое оборудование, в конструкции которого присутствуют спиральные, вертикальные или горизонтальные трубные теплообменники.

Технический результат, предлагаемый изобретением, заключается в достижении достаточной эффективности и коэффициенте полезного действия (КПД) теплоэлектрогенератора для его автономной работы с возможностью получения потребителем тепловой и электрической энергии.

Дополнительным результатом является эргономичное конструкторское исполнение, позволяющее адаптировать термоэлектрический генераторный модуль, располагающийся в контуре коаксиального теплообменника теплоэлектрогенератора, в устройствах с трубными газовыми и водными теплообменниками.

Изобретение относится к области термоэлектрических источников электроэнергии, основанных на эффекте Зеебека, а именно к автономным термоэлектрическим источникам электроэнергии. Термоэлектрический генераторный модуль выполнен в виде последовательно соединенной электрической цепи, образованной коаксиально расположенными горячей внешней электропроводящей коммутационной пластиной, ветвями из полупроводниковых элементов «p» и «n» типа с разным коэффициентом теплопроводности и горячей внутренней электропроводящей коммутационной пластиной. Цепь расположена коаксиально между стенками горячего и охлаждающего теплообменника. Охлаждающий радиатор выполнен спиральным. Электрод розжига выполнен с возможностью детонации газовоздушной смеси и контроля наличия пламени. Технический результат заключается в повышении эффективности при его автономной работе с возможностью получения потребителем тепловой и электрической энергии. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплоэлектрогенератор на основе эффекта Зеебека, содержащий охлаждающий теплообменник и горячий теплообменник, между которыми размещен по меньшей мере один термоэлектрический генераторный модуль, холодная сторона которого обращена к охлаждающему теплообменнику, а горячая сторона – к горячему теплообменнику, обращенные к теплообменникам стороны термоэлектрического генераторного модуля покрыты слоем электроизолирующего теплопроводящего материала, охлаждающий теплообменник состоит из по меньшей мере одного соединенного трубами с циркуляционным насосом охлаждающего радиатора, контур отопления, источник тепла, размещенный под горячим теплообменником, представляет собой пламя от горелки, соединяемой с емкостью с углеводородным топливом, горелка снабжена запорным клапаном и электродом розжига, блок управления электрически связан с термоэлектрическим генераторным модулем, циркуляционным насосом, запорным клапаном, электродом розжига, а на внешней панели блока управления размещен разъем для подключения внешних потребителей электроэнергии, блок управления содержит встроенную аккумуляторную батарею, устройство коммутации, преобразователь постоянного тока и микропроцессор, программа которого обеспечивает подачу управляющих сигналов, переключение режимов работы устройства коммутации, подачу аварийных сигналов при нарушении режимов работы устройства, отличающийся тем, что термоэлектрический генераторный модуль выполнен в виде последовательно соединенной электрической цепи, образованной коаксиально расположенными горячей внешней электропроводящей коммутационной пластиной, ветвями из полупроводниковых элементов «p» и «n» типа с разным коэффициентом теплопроводности и горячей внутренней электропроводящей коммутационной пластиной, и расположенной коаксиально между стенками горячего и охлаждающего теплообменника, охлаждающий радиатор выполнен спиральным, электрод розжига выполнен с возможностью детонации газовоздушной смеси и контроля наличия пламени.

2. Теплоэлектрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что в отопительном контуре между центробежным насосом и радиатором расположен расширительный бак, компенсирующий тепловое расширение теплоносителя.

3. Теплоэлектрогенератор по любому из пп. 1,2, отличающийся тем, что отопительный контур содержит группу безопасности, включающую в себя реле давления, пневмореле, термостат и манометр.

4. Теплоэлектрогенератор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в цепи термоэлектрического генераторного модуля содержится преобразователь постоянного тока, преобразующий источник постоянного тока с одного уровня напряжения на другой.