Термоэлектрический генератор

ХУСНИЯРОВ И.Ф., КГЭУ, г. Казань

Науч. рук. д-р техн. наук, профессор КАШАЕВ Р.С.

В полевых условиях электроснабжения датчиков и приборов плодотворна идея использования компактных устройств электропитания, основанных на преобразовании солнечного света и естественных перепадов температур в течение всего времени суток в электроэнергию солнечными панелями и термоэлементами на солнечном коллекторе с использованием эффекта Зеебека. Облучение и перепады температур могут создаваться также внешними источниками – горелками, костром, выхлопными газами.

Для питания автоматических датчиков и средств автоматики в настоящее время широкое распространение получили электрогенераторы на фотоэлектрических элементах (ФЭ), обычно объединенных в солнечные панели. Солнце излучает энергию в диапазоне l = 200-3000 нм. При этом используемый ФЭ диапазон ультрафиолетовых длин волн l = 200-800 нм охватывает 58 % всей энергетической эффективности солнечного излучения. В то же время 42 % энергии Солнца лежит в диапазоне длин волн l = 800-3000 нм в области теплового (инфракрасного – ИК) излучения и фотоэлементами не используется. Кроме того, у ФЭ снижается КПД при их нагреве, а также они не способны к электрогенерации в ночное время суток. Это ведет к тому, что, несмотря на то, что в некоторых образцах ФЭ достигнут КПД = 20-25 %, в реальных ФЭ он составляет 10-12 % [1].

Как одно из решений задачи более эффективного использования солнечной радиации в ИК-области спектра является использование термоэлектрических элементов (ТЭ), основанных на эффекте Зеебека генерации термоЭДС с коэффициентом a. Прибор, работающий на этом явлении – термопара или ТЭ из N проводников с разными коэффициентами термоЭДС a А и a В (см. Табл.1). Если концы проводников находятся при разных температурах Т0 и ТL, то на концах ветвей появляется термоЭДС:

e = N (a А - a В)(Т0 - ТL) (1)

Но очень 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 15 000 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 фазовых переходов (ФП) в диапазоне 0¸100 °С.

Задачей, поставленной в данной работе, является разработка термоэлектрического генератора, в котором солнечные батареи на фотоэлементах, прикрепленные к внешней стороне солнечного коллектора (СК) с теплопроводящим рабочим веществом и с внутренней свето-, теплопоглощающей поверхностью, эффективно охлаждаются рабочим веществом СК, тем самым поддерживая высокий КПД фотоэлементов солнечной панели в жаркое время суток за счет отвода от них тепла. Солнечная батарея круглогодично (в том числе и зимой) генерирует ток в светлое время суток. Три емкости с ТАМ, имеющем разные температуры ЭФП Т К1, Т К2 и Т К3 (причем Т К2 > Т К3> Т К1) при охлаждении в холодное время суток последовательно, начиная с верхней ТАМ в верхней емкости испытывают ЭФП, поддерживая разность температур D Т ТЭ на блоках ТЭ, расположенных между ними. Четыре последовательно соединенных блока ТЭ выполняют функции составной термоэлектрической батареи, повышая КПД термоэлектрического генератора. Сущность устройства поясняется чертежом на рис.1, где изображена конструкция термоэлектрического генератора.

Рис. 1. Конструкция термоэлектрического генератора. Здесь: 1 – солнечные батареи;
2 – солнечный коллектор; 3 – незамерзающая, теплопроводящая жидкость;
4 – внутренняя свето-, теплопоглощающая поверхность СК; 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

Литература

1. Специальные электрические машины: (Источники и преобразователи энергии): учеб. пособие для вузов/ А.И.Бертинов [и др.]; под ред. А.И.Бертинова. – Энергоиздат, 1982. – 552 с.: ил.

2. Самойлович А.Г. Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии. – М.: 2007, ЛКИ. –224 с.

3. Патент RU №135540 МПК H01J45/00 от 20.11.2013 «Термоэлектрический генератор».

4. Патент RU № 134698 МПК Н01J45/00, F24J2/42 от 20.11.2013 «Термоэлектрический автономный источник питания».

УДК 621.577