LT5370B - Method and device for generating thermoelectric energy - Google Patents

Abstract

The invention relates to the field of semiconductor thermoelectric generators and may be used in heat and thermoelectric power plants, which use local cheap fuel. The invention increases exploitation of potential power of the semiconductor thermoelectric generators (STG). A device for generating thermoelectric energy comprises: a generator for generating electric energy (STG), an energy controller comprising an electronic commutator which distributes the STG energy for two condensers with supercargo capacity, a microprocessor controlling the electronic commutator, sensors measuring the charging and discharging voltages of the condensers, a loading block comprising two condensers, a module for standardizating and recuperating energy comprising an induction-coil and recuperating diodes. A method for generating thermoelectric energy is characterized by that two identical condensers are charged until fixed value of the charging voltage through an electronic commutator, therewith the fixed value of the c

Description

išradimas priklauso energetinės elektronikos puslaidininkinių termoelektros generatorių sričiai ir gali būti pritaikytas šilumos ir termoelektros jėgainėse, naudojančiose vietinį pigų kurą.The invention relates to the field of semiconductor thermoelectric generators for power electronics and can be applied to thermal and thermoelectric power plants using local cheap fuel.

Žinomas termoelektros energijai generuoti būdas ir aparatas termoelektros generatorių ir apkrovos įtampai matuoti ir optimaliai reguliuoti. Aparatas sudarytas iš termoelektros generatoriuje ĮTEG] esančių puslaidininkinių modulių, kurių tarpusavio sujungimų būdą nuoseklųjį, lygiagretųjį ar mišrųjį valdo sujungimo būdų perjungimo blokas, kuris priklausomai nuo TEG ir apkrovos įtampų, kurias matuoja įtampų matavimo blokas, parenka puslaidininkinių modulių sujungimo būdą o jų tarpusavio sujungimų būklę kontroliuoja sujungimų nutrūkimo kontrolės blokas (Europos patentas EP 0878851, H01L 35/00, H01L 35/28).A method and apparatus for measuring and optimally controlling the voltage of the thermal generators and the load are known in the art. The apparatus is comprised of semiconductor modules in a thermoelectric generator (TEG) whose interconnection mode is controlled by a serial, parallel, or hybrid interconnection switching unit which, depending on the TEG and load voltages measured by the voltage measuring unit, selects the interconnection mode of the semiconductor modules controlled by a break break control unit (European Patent EP 0878851, H01L 35/00, H01L 35/28).

Šis būdas ir aparatas leidžia išmatuoti ir įvertinti TEG ir apkrovos įtampas ir, keičiant TEG modulių sujungimo būdą geriau išnaudoti TEG generuojamą vardinę galią Tačiau juo negalima geriau išnaudoti TEG potencinės galios, padidinant TEG generuojamą galiąThis method and apparatus allow the measurement and evaluation of TEG and load voltages and, by changing the way TEG modules are connected, make better use of the TEG-generated rated power. However, it cannot better exploit the TEG's potential power by increasing the TEG-generated power

Žinomas taip pat kitas termoelektros energijos sistemos realizavimo būdas ir įrenginys, kuriame TEG įtampą matuoja, valdo ir energijos tiekimą apkrovai reguliuoja kontroleris priklausomai nuo TEG įtampos matavimo rezultato, be to, sistemos struktūroje yra kompensavimo priemonės, kurios užtikrina nepertraukiamą energijos tiekimą apkrovai, kai kontroleris nustatyto laiko tarpe nutraukia energijos tiekimą apkrovai iš TEG (Europos patentas EP 174996A1 H02N 11/00).Another embodiment of a thermoelectric power system is known, and a device wherein the TEG voltage is measured, controlled, and the power supply is controlled by a controller depending on the TEG voltage measurement result, and the system structure includes compensating means to provide uninterruptible power supply interrupts the power supply to the load from the TEG (European Patent EP 174996A1 H02N 11/00).

Šios sistemos būdas ir įrenginys leidžia valdyti tik TEG vardinę galią tiekiamą apkrovai, ir efektyviai sukaupti elektros energiją priklausomai nuo generuojamos TEG įtampos. Tačiau taip pat kaip ir pirmojo analogo atveju, juo negalima geriau išnaudoti TEG potencinės galios padidinant jo generuojamą galią. Visuose žinomuose analoguose ir prototipe TEG vardinė galia Pn tesudaro tik 50% nuo potencinės galios, taigi ji išnaudojama nepakankamai.The method and device of this system allows to control only the TEG rated power supplied to the load and to efficiently store electricity depending on the TEG voltage generated. However, as with the first analogue, it cannot make better use of the potential power of the TEG by increasing its power output. In all known analogs and prototypes, the nominal power Pn of TEG is only 50% of the potential power, so it is underutilized.

Tačiau, nežiūrint šio svarbaus trūkumo, dėl esminių požymių panašumo šis būdas ir įtaisas priimtas galimojo išradimo prototipu.However, in spite of this important disadvantage, due to the similarity of the essential features, this method and device have been adopted as a prototype of the possible invention.

Išradimo tikslas - .padidinti TEG efektyvumą, geriau išnaudojant potencinę galią. Nurodytas tikslas pasiektas tuo, kad per kontrolerio elektroninį komutatorių įkrauna du identiškus superdidelės talpos kondensatorius [SDK] iki fiksuoto dydžio įkrovimo įtampos Ujk, kurią parenka mažesnę už tenmoelektros generatoriaus [TEG] tuščiosios veikos įtampą U_o (U_!K < U_o), be to, vieną įkrautą SDK palieka prijungtą prie TEG, o kitą per kontrolerio elektroninį komutatorių prijungia prie apkrovos įtaise esančių energijos kaupiklio ir apkrovos, SDK iškrauna iki įtampos U&, kuri sudaro (0,7 - 0,85) nuo U_>K, nepilnai iškrautą vieną SDK per kontrolerį prijungia įkrovimui prie TEG, o kitą - įkrautą SDK - prie energijos kaupiklio ir apkrovos priklausomai nuo išmatuotų SDK įkrovimo ir iškrovimo įtampų didumo periodiškai, pakaitomis juos perjungia TEG ir energijos kaupiklio bei apkrovos elektrinėje grandinėje.The object of the invention is to increase the efficiency of TEG by better utilization of the potential power. The stated object is achieved by charging two identical super-capacitors [SDK] via a controller electronic commutator to a fixed charge voltage Ujk, which is selected below the idle voltage U _o (U _{! K} <U _o ) of the tenmoelectric generator [TEG], without in addition, one charged SDK is left connected to the TEG and the other is connected via the controller's electronic switch to the energy storage device and the load in the load device, discharging the SDK to a voltage U &amp; (0.7-0.85) from U _{> K} , partially discharged one SDK is connected to the TEG for charging via the controller and the other to the charged SDK for the storage and load depending on the magnitude of the measured charging and discharging voltages on the SDK, alternating between TEG and the storage and load in the electrical circuit.

Nurodytas tikslas. pasiektas tuo, kad kontroleris, sudarytas iš elektroninio komutatoriaus, paskirstančio TEG energiją dviems superdidelės talpos kondensatoriams [SDK], mikroprocesoriaus valdančio elektroninį komutatorių, jutiklių, matuojančių SDK įkrovimo ir iškrovimo įtampas, apkrovos bloko, susidedančio iš dviejų SDK, sukaupiančių TEG energiją savo elektriniame lauke, energijos norminimo ir rekuperadjos modulio, sudaryto iš indukcinės ritės ir energijos, sukauptos jos magnetiniame lauke, rekuperavimo diodų.The stated purpose. achieved by a controller consisting of an electronic commutator distributing TEG energy to two super-capacitance capacitors [SDKs], a microprocessor controlling an electronic commutator, sensors measuring the SDK charging and discharging voltages, a load unit consisting of two SDKs storing its TEG energy in its field. , a power standardization and recuperator module consisting of an induction coil and recoupling diodes of energy stored in its magnetic field.

Galimo išradimo struktūrinė schema pateikta Fig. 1, įkrovimo ir iškrovimo įtampų Doj ir Uc₂ procesus SDK iliustruoja Fig. 2 pateiktos laiko funkcijos Ucj= f(t) ir Uc^= f(t), apkrovos galios P_A kitimo laiko funkcijos P_A= f(t) grafikas pateiktas Fig. 3.A schematic diagram of a possible invention is shown in FIGS. 1, the charge and discharge voltages Doj and Uc ₂ processes in the SDK are illustrated in Figs. 2 is a graph of the time function P _A = f (t) of the load power P _A and Uc ^ = f (t) and FIG. 3.

Galimo išradimo įrenginys termoeiektros energijai generuoti {Fig. 1) susideda iš termoeiektros generatoriaus TEG (1), kuris termoetokfros energiją tiekia apkrovos moduliui (2) per kontrolerio (3) elektroninį komutatorių (4), kurį valdo mikroprocesorius (5), o jo valdymo signalą formuoja kontrolerio (3) įtampos jutikliu blokas (6). Termoeiektros energija iš kontrolerio (3) elektroninio komutatoriaus (4) tiekiama apkrovos modulio (2) dviems superdidelės talpos kondensatoriams [SDK] (7)_f kurie pakaitomis įkraunami taip, kad, kai vienas SDK įkraunamas iš TEG (1), kitas, iškraunamas per apkrovos modulio (4) energijos rekuperacijos bloką (8), tiekia elektros energiją ilgalaikiam energijos kaupikliui (9) ir apkrovai (10).An apparatus for generating thermoelectric power according to the present invention {Figs. 1) consists of a thermoelectric generator TEG (1) which supplies the thermoetochrome energy to the load module (2) via an electronic commutator (4) of the controller (3) controlled by a microprocessor (5) and its control signal being formed by the voltage sensor unit of the controller (3). (6). Thermal power from the controller (3) electronic switch (4) is supplied to the load module (2) by two super-capacitors [SDK] (7) _f which are alternately charged such that when one SDK is charged from TEG (1), the other is discharged through a power recovery unit (8) of the load module (4), supplying power to the long-term energy storage device (9) and the load (10).

Galimo išradimo būdas ir įrenginys veikia taip:The method and apparatus of the present invention operate as follows:

Proceso pradžioje TEG (1) per kontrolerio (3) elektroninį komutatorių (4) įkrauna apkrovos modulyje (2) esančius du identiškus superdidelės talpos kondensatorius SDK 7 (pvz., 0,5; 1,0 Parado talpos, kurios didumas priklauso nuo TEG galios) iki fiksuoto didumo įkrovimo įtampos Uįk, kuri yra mažesne už TEG tuščiosios veikos įtampą U_Q (pvz., UiK~ (0,6-0,64) U_o). Vieną įkrautą SDK (7) palieka prijungtą prie TEG (1), o kitą - kontrolerio (3) elektroninis komutatorius (4) prijungia per apkrovos modulyje (2) energijos rekuperacijos bloką (8) prie ilgalaikio energijos kaupiklio (9) (pvz., prie akumuliatoriaus arba regeneratyvinio elektrocheminio generatoriaus) ir apkrovos (10), SDK (7) iškraunamas iki įtampos Usš, kuri sudaro (0,7 - 0,85) nuo įkrovimo įtampos U_įK- Nepilnai iškrautą SDK (7) kontrolerio (3) elektroninis komutatorius (4) prijungia įkrovimui prie TEG (1), o kitą - įkrautą SDK (7) elektroninis komutatorius (4) prijungia prie ilgalaikio energijos kaupiklio (9) ir apkrovos (10) per energijos rekuperacijos bloką (8). Kontrolerio (3) elektroninis komutatorius (4), valdomas mikroprocesoriaus (5) ir įkrovimo - iškrovimo įtampų jutiklio bloko (6), periodiškai pakaitomis perjungia SDK (7) termoeiektrosAt the beginning of the process, the TEG (1) charges two identical super-capacitance capacitors SDK 7 (e.g., 0.5; 1.0 Parade capacitance, the size of which depends on the TEG power) through the electronic switchboard (4) of the controller (3). ) to a fixed magnitude charging voltage Uk, which is less than the TEG idle voltage U _Q (e.g., UiK ~ (0.6-0.64) U _o ). One charged SDK (7) is left connected to the TEG (1) and the other is connected to the controller (3) by an electronic switch (4) via the load module (2) power recovery unit (8) to the long-term energy storage device (9) (e.g. to the battery or regenerative electrochemical generator) and the load (10), the SDK (7) is discharged to a voltage Ush which represents (0.7 - 0.85) from the charging voltage U to _K - The unloaded SDK (7) controller (3) electronic the switch (4) connects to the TEG (1) for charging and the other to the charged SDK (7), the electronic switch (4) connects to the long-term energy storage device (9) and the load (10) via the energy recovery unit (8). The electronic commutator (4) of the controller (3), controlled by the microprocessor (5) and the charging / discharging voltage sensor unit (6), alternates the thermal power of the SDK (7) alternately.

P LT 5370 B generatoriaus TEG (1) ir ilgalaikio energijos kaupiklio (9) bei apkrovos (10) elektrinėje grandinėje.P LT 5370 B generator TEG (1) and long-term energy storage device (9) and load (10) in the electrical circuit.

SDK (7) įkrovimo ir iškrovimo procesų įtampų Uc^ ir Uc₂ kitimą iliustruoja Fig. 2 pateiktos laiko funkcijos Uoj= f(t) ir Uc2= f(t).The variation of the voltages Uc ^ and Uc _{2 of} the charging and discharging processes of the SDK (7) is illustrated in Figs. 2 shows the time functions Uoj = f (t) and Uc2 = f (t).

Apkrovos galios P_A kitimo laiko funkcijos Pa²⁵ f(t) grafikas pateiktas Fig. 3. Pagal šiame grafike pavaizduotos funkcijos vidutinės galios Py didumą palyginus su žinomuose sprendimuose gaunama vardine TEG galia P_N, galima įvertinti pateiktojo būdo ir įrenginio panaudojimo efektyvumą. Čia Py = (1,fxT,6)P_N. Taigi potencinės TEG galios išnaudojimo efektyvumas nuo 50%, kuris gaunamas geriausiu TEG žinomų panaudojimo sprendimų atveju, panaudojus galimąjį išradimą gali padidėti iki (75^80)%.The graph of the load power P _A versus time function Pa ²⁵ f (t) is shown in Figs. 3. By comparing the average power Py of the function depicted in this graph with the nominal TEG power P _N obtained in known solutions, it is possible to evaluate the efficiency of the presented method and the utilization of the device. Here Py = (1, fxT, 6) P _N. Thus, the utilization efficiency of the potential TEG power from 50% obtained by the best known TEG utilization solutions can increase to (75 ^ 80)% after the use of the present invention.

Galimasis išradimas, palyginus su prototipu, iš esmės ženkliai pagerina TEG potencinės galios išnaudojimą sumažina elektros energijos nuostolius TEG vidaus varžoje ir tokiu būdu karto padidina jo generuojamą galią nes:The potential invention significantly improves the utilization of the TEG's potential power compared to the prototype, reducing the electrical power loss in the TEG's internal impedance and thereby immediately increasing its power output by:

— pakaitomis įkraunami SDK dėl tarpinio energijos sukaupimo proceso jo elektriniame lauke savybių, sukelia mažesnius galios nuostolius TEG vidaus varžoje.- alternately charged SDKs due to the properties of the intermediate energy storage process in its electric field, causing less power loss in the TEG internal impedance.

— Pakaitomis iškraunamų SDK visa sukaupta elektriniame lauke energija perduodama ilgalaikiam energijos kaupikliui ir apkrovai, nes kondensatorių aktyvioji vidaus varža labai maža (praktiškai lygi nuliui).- In the alternately discharged SDKs, all the energy stored in the electric field is transferred to the long-term energy storage device and the load because the capacitors have a very low active internal impedance (practically zero).

— SDK energiją tiekia ilgalaikiam energijos kaupikliui ir apkrovai per energijos norminimo ir rekuperacijos bloką kur norminimo procese energija sukaupiama induktyvinės ritės magnetiniame lauke, vėliau grąžinama ilgalaikiam energijos kaupikliui ir apkrovai. Induktyvinė ritė SDK ir apkrovos grandinėje sunormina apkrovos galios laiko funkciją P_A= f(t), pateiktą Fig. 3.- The SDK supplies power to the long-term energy storage and load through the energy standardization and recovery unit where, during the normalization process, energy is stored in an inductive coil magnetic field, then returned to the long-term energy storage and load. The inductor coil in the SDK and load circuit normalizes the load power time function P _A = f (t) given in Figs. 3.

— SDK įkrovimo įtampos nustatomos mažesnės už TEG tuščiosios veikos įtampą (U_iK < U_o), o jų iškrovimo įtampos Ujš parenkamos mažesnės už įkrovimo įtampas U_!K (U® « θ,θ⁵ ^«3 Tai sudaro galimybę suderinti SDK įkrovimo ir iškrovimo laikus ir užtikrinti vidutinės galios Pv tiekiamos į ilgalaikį kaupiklį ir apkrovą pastovumą [žiūr P_v= f(t) Fig. 3J.- The charging voltages of the SDK are set lower than the TEG idle voltage (U _iK <U _o ) and their discharge voltages Ujš are selected below the charging voltages U _{! K} (U® «θ, θ ⁵ ^« 3). discharge times and to ensure the stability of medium power Pv supplied to the long-term storage and load [see P _v = f (t) Fig. 3J.

— Visos įvardintos energijos konversijos operacijos, vykstančios galimo išradimo struktūroje iš esmės skiriasi nuo prototipo ir užtikrina unikalius veikimo efektyvumui padidinti rezultatus.- All named energy conversion operations that take place in the structure of a possible invention are fundamentally different from the prototype and provide unique results in operational efficiency.

Claims (2)

IŠRADIMO APIBRĖŽTISDEFINITION OF INVENTION 1. Būdas termoelekiros energijai generuoti pagrįstas tuo, kad matuoja elektros įtampą ir energijos tiekimą apkrovai bei energijos kaupikliui reguliuoja kontroleriu, besiskiriantis tuo, kad per kontrolerio elektroninį komutatorių įkrauna du identiškus superdidelės talpos kondensatorius [SDK] iki fiksuoto dydžio įkrovimo įtampos Ujk, kurią parenka mažesnę už termoelekiros generatoriaus [TEG] tuščiosios veikos įtampą U_o (U_lK < Uo), be to, vieną įkrautą SDK palieka įjungtą prie TEG, o kitą per kontrolerio elektroninį komutatorių prijungia prie apkrovos įtaise esančių energijos kaupiklio ir apkrovos, SDK iškrauna iki įtampos Uįš, kuri sudaro (0,7^0,85) nuo U_3K, nepilnai iškrautą vieną SDK per kontrolerį prijungia įkrovimui prie TEG, o kitą — įkrautą SDK - prie energijos kaupiklio ir apkrovos, priklausomai nuo išmatuotų SDK įkrovimo ir iškrovimo įtampų didumo periodiškai, pakaitomis juos perjungia TEG energijos kaupiklio bei apkrovos elektrinėje grandinėje.1. The method of generating thermoelectric energy is based on measuring the electrical voltage and the power supply to the load and the energy storage device by controlling the controller, characterized in that two identical super-capacitors [SDK] are charged via a controller electronic switch to a fixed charging voltage Ujk. behind the idle voltage U _o (U _lK <Uo) of the thermoelectric generator [TEG], in addition, one charged SDK is left connected to the TEG and the other connected via the controller electronic commutator to the energy storage device and the load in the load device. , which is (0.7 ^ 0.85) from U _3K , connects one unloaded SDK through the controller to TEG for charging and the other to the loaded SDK for energy storage and load depending on the magnitude of the measured SDK charging and discharging voltages, alternately switched between TEG energy storage and load e in an electric circuit. 2. Įrenginys termoelekiros energijai generuoti, susidedantis iš termoelekiros energiją generuojančio TEG, reguliuojančio kontrolerio ir energijos kaupiklio bei apkrovos, besiskiriantis tuo, kad kontroleris sudarytas iš elektroninio komutatoriaus, paskirstančio TEG energiją dviems superdidelės talpos kondensatoriams ĮSDKJ, mikroprocesoriaus, valdančio elektroninį komutatorių, jutiklių, matuojančių SDK įkrovimo ir iškrovimo įtampas, apkrovos bloko, susidedančio iš dviejų SDK, trumpalaikiai sukaupiančių TEG energiją savo elektriniame lauke, energijos norminimo ir rekuperacijos modulio, sudaryto iš indukcinės ritės ir energijos, sukauptos jos magnetiniame lauke, rekuperavimo diodų.2. A device for generating thermoelectric energy, comprising a thermoelectric power generating TEG, a regulating controller and an energy storage device and a load, characterized in that the controller is comprised of an electronic commutator for distributing TEG power to two super-capacitors capacitors, The charging and discharging voltages of an SDK, a power unit consisting of two SDKs transiently storing TEG energy in its electric field, an energy normalization and recuperation module consisting of an induction coil and recoupling diodes of energy stored in its magnetic field.