RU2764185C1 - Thermoelectric generator - Google Patents
Thermoelectric generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2764185C1 RU2764185C1 RU2021116858A RU2021116858A RU2764185C1 RU 2764185 C1 RU2764185 C1 RU 2764185C1 RU 2021116858 A RU2021116858 A RU 2021116858A RU 2021116858 A RU2021116858 A RU 2021116858A RU 2764185 C1 RU2764185 C1 RU 2764185C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiator
- plates
- thermoelectric
- heat
- legs
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/81—Structural details of the junction
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
Abstract
Description
Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно, к конструкции термоэлектрического генератора с воздушным охлаждением.The invention relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy, namely, to the design of an air-cooled thermoelectric generator.
Известен термоэлектрический генератор (ТЭГ), содержащий источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении установлены неподвижно термоэлектрический модуль и охлаждающий воздушный радиатор (см. А.Н. Крошко. Источники тока в системах связи магистральных трубопроводов. М., «Недра», 1974 г, c. 11, рис. 1).A thermoelectric generator (TEG) is known, containing a heat source with a heat sink, on the working surface of which a thermoelectric module and a cooling air radiator are installed in series in thermal terms (see A.N. Kroshko. Current sources in communication systems of main pipelines. M., " Nedra", 1974, p. 11, fig. 1).
Однако, известный ТЭГ обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что большая часть теплового потока, проходящего от источника тепла через термоэлектрический модуль, сбрасывается радиатором в окружающую среду совершенно бесцельно, а это составляет от 86% до 96%.However, the well-known TEG has a significant drawback, which consists in the fact that most of the heat flux passing from the heat source through the thermoelectric module is discharged by the radiator into the environment completely aimlessly, and this ranges from 86% to 96%.
Наиболее близким по технической сущности к данному предложению является известное техническое решение, содержащее термоэлектрический генератор с источником тепла и теплоприемником (теплопроводом), на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении установлены неподвижно термоэлектрический модуль и воздушный радиатор, выполненый в виде соединенных неподвижно между собой последовательно чередующихся пластин разной высоты, причем низкие пластины образуют основание радиатора, а высокие пластины и ребра охлаждения и основание радиатора, и вся конструкция радиатора электрически изолирована от нагретой поверхности термоэлектрического модуля (см. патент РФ №2717249, Термоэлектрический генератор, от 12.12.2017 г, кл. МПК H01L 35/00).The closest in technical essence to this proposal is a well-known technical solution containing a thermoelectric generator with a heat source and a heat sink (heat conduit), on the working surface of which a fixed thermoelectric module and an air radiator are installed in series in thermal terms, made in the form of fixedly interconnected sequentially alternating plates of different heights, with low plates forming the base of the radiator, and high plates and cooling fins and the base of the radiator, and the entire radiator structure are electrically isolated from the heated surface of the thermoelectric module (see RF patent No. 2717249, Thermoelectric generator, dated 12.12.2017, class IPC H01L 35/00).
Сущность предложенного технического решения заключается в том, что ребра охлаждения радиатора изготовлены из термоэлектрических материалов и образуют ветви «n» и «р»-типа проводимости, которые соединены неподвижно механически и электрически скоммутированы в термоэлементы с помощью низких электропроводящих пластин, одна часть которых образует межэлементную, а другая - внутриэлементную коммутацию по горячему спаю, причем низкие пластины для внутриэлементной коммутации с одной боковой стороны, например, обращенной к ветвям «n»-типа проводимости по всей длине ее и высоте снабжены неразъемным механическим соединением с ветвями, выполненным в виде клеевого слоя дополнительной термостойкой электрической изоляции, а противоположная сторона всех этих пластин снабжена электропроводящим коммутационным подслоем, так же образующим неразъемных паяный или сварной контакт с ветвями противоположного знака проводимости «р»-типа, и все низкие пластины для межэлементной коммутации выполнены из электропроводящих материалов и снабжены с двух боковых сторон по всей их длине и высоте коммутационным подслоем для создания с ветвями термоэлементов неразъемных соединений в виде пайки или диффузионной сварки, и ветви термоэлементов на обоих концах снабжены торцевыми изгибами, выполненными под прямым углом к длине ветви и направленными в противоположнгые стороны, а длина изгибов равна расстоянию между ветвями и, следовательно, ширине низких коммутационных пластин, а горячие и холодные спаи ветвей термоэлементов дополнительно соединены между собой с помощью стыковой сварки или пайки, причем ветви термоэлементов радиатора выполнены из различных термоэлектрических материалов, и одна половина ветвей выполнена из металлического термоэлектрического материала «р»-типа, например, меди, или железа, или сплава антимонида цинка, а вторая соответствующая половина «n»-типа проводимости изготовлена из никеля, или кобальта, или сплава копель, причем ветви термоэлементов радиатора могут быть выполнены так же из различных полупроводниковых термоэлектрических материалов на основе халькогенидов висмута, свинца, сурьмы, германия, олова, скуттерудитов, силицидов, сульфидов, «n» и «р»-типов проводимостив зависимости от легирующих добавок, и низкие пластины все или частично выполнены из постоянных магнитов с точкой Кюри выше максимальной температуры горячего спая термоэлементов радиатора.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the radiator cooling fins are made of thermoelectric materials and form branches of "n" and "p"-type conductivity, which are connected mechanically and electrically connected into thermoelements using low electrically conductive plates, one part of which forms an interelement , and the other - intra-element switching over a hot junction, and low plates for intra-element switching on one side, for example, facing the branches of the "n" type of conductivity along its entire length and height, are equipped with a permanent mechanical connection with the branches, made in the form of an adhesive layer additional heat-resistant electrical insulation, and the opposite side of all these plates is equipped with an electrically conductive switching sublayer, which also forms an integral soldered or welded contact with the branches of the opposite sign of conductivity of the “p” type, and all low plates for interelement switching are made of electrical wires supply materials and are provided on both sides along their entire length and height with a connecting sublayer to create one-piece connections with the thermoelement legs in the form of soldering or diffusion welding, and the thermoelement legs at both ends are equipped with end bends made at right angles to the length of the leg and directed towards opposite sides, and the length of the bends is equal to the distance between the legs and, consequently, the width of the low connecting plates, and the hot and cold junctions of the legs of the thermoelements are additionally interconnected by butt welding or soldering, moreover, the legs of the radiator thermoelements are made of various thermoelectric materials, and one half legs is made of metal thermoelectric material "p"-type, for example, copper, or iron, or zinc antimonide alloy, and the second corresponding half of the "n"-type conductivity is made of nickel, or cobalt, or kopel alloy, and the legs of the radiator thermoelements can be made in the same way various semiconductor thermoelectric materials based on bismuth, lead, antimony, germanium, tin, skutterudites, silicides, sulfides, "n" and "p" types of conductivity, depending on doping additives, and low plates are all or partially made of permanent magnets with a dot Curie is higher than the maximum temperature of the hot junction of the radiator thermoelements.
Предложенная конструкция термоэлектрического генератора поясняется принципиальными схемными решениями (фиг. 1, где показан термоэлектрический генератор, содержащий: (1) - термоэлектрический электрогенерирующий модуль (ТЭМ), состоящий из термобатарей, размещенных внутри защитного вакуумно-плотного чехла и размещенного между теплопроводом (2), по которому прокачивается теплоноситель (стрелками показано направление движения теплоносителя) и воздушным радиатором, выполненным в виде устройства для отвода тепла (Q) от ТЭМ (1) в окружающую среду, и одновременно в виде термоэлектрической электрогенерирующей незачехленной термобатареи (ТЭБ) «Антер», содержащей термоэлементы, ветви которых (6,7) соединены между собой по горячему и холодному спаям (8) с помощью сварки или пайки по торцам отогнутых частей (12, 13) ветвей.The proposed design of the thermoelectric generator is illustrated by the basic circuit solutions (Fig. 1, which shows a thermoelectric generator containing: (1) - thermoelectric power generating module (TEM), consisting of thermopiles placed inside a protective vacuum-tight cover and placed between the heat pipe (2), through which the coolant is pumped (the arrows show the direction of movement of the coolant) and an air radiator made in the form of a device for removing heat (Q) from the TEM (1) to the environment, and at the same time in the form of a thermoelectric power generating unenclosed thermopile (TEB) "Anter", containing thermoelements, the legs of which (6,7) are interconnected along the hot and cold junctions (8) by welding or soldering along the ends of the bent parts (12, 13) of the legs.
Образующие основание воздушного радиатора низкие пластины (11) одновременно служат для межэлементной коммутации ветвей (6, 7) в термоэлементы по горячему спаю и для соединения последних в единую термоэлектрическую цепь, радиаторную термобатарею «Антер», замкнутую на внешнюю нагрузку (Rн), которая может быть отдельным источником электропитания или подключена к основной электрической цепи термогенератора, содержащего одну (1) или несколько герметизированных термобатарей (ТЭБ), установленных на теплопроводе (2), на чертеже стрелками показано движение теплоносителя и направление передачи от него теплового потока (Q) на основной преобразователь (1) тепловой энергии в электричество в конструкции термогенератора герметизированную ТЭБ (1). Плотность проходящего через ТЭБ (1) теплового потока обычно составляет около 10 вт/см2, что при площади ТЭБ (1) около 100 квадратных сантиметров составляет 1 кВт суммарной тепловой мощности, попадающей на радиатор, и до предложенного технического решения бесцельно отводилось в окружающую среду. В предложении заявителя часть теплового потока, попадающего на термоэлектрический радиатор «Антер» превращается в электричество, и это решение не только не ухудшает работу радиатора как теплотехнического устройства по отводу тепла от генераторной ТЭБ (1) за счет теплопроводности ветвей термоэлементов, а наоборот улучшает, так как радиатор «Антер», не имея никаких конструктивных недостатков по сравнению с известным радиатором, работает еще и как тепловой насос, а кроме того вырабатывает дополнительную электрическую мощность для потребителя, не расходуя при этом дополнительного топлива или тепла (Q), поступающего от теплоносителя (2), а утилизируя тепло, отводимое от термоэлектрического модуля (1) в окружающую среду.The low plates (11) forming the base of the air cooler simultaneously serve for interelement switching of branches (6, 7) into thermoelements via a hot junction and for connecting the latter into a single thermoelectric circuit, an Anter radiator thermopile closed to an external load (Rn), which can be a separate power source or connected to the main electrical circuit of a thermogenerator containing one (1) or several sealed thermopiles (TEP) installed on a heat pipeline (2), the arrows in the drawing show the movement of the coolant and the direction of transfer of heat flow from it (Q) to the main converter (1) of thermal energy into electricity in the thermogenerator sealed thermopile design (1). The density of the heat flux passing through the thermopile (1) is usually about 10 W/cm 2 , which, with an area of the thermopile (1) of about 100 square centimeters, is 1 kW of the total thermal power falling on the radiator, and before the proposed technical solution was aimlessly discharged into the environment . In the applicant's proposal, part of the heat flow that enters the Anter thermoelectric radiator is converted into electricity, and this solution not only does not impair the operation of the radiator as a heat engineering device for removing heat from the generator thermopile (1) due to the thermal conductivity of the thermoelement legs, but, on the contrary, improves as an Anter radiator, without any design flaws compared to the known radiator, it also works as a heat pump, and in addition, it generates additional electrical power for the consumer without consuming additional fuel or heat (Q) coming from the coolant ( 2), but by utilizing the heat removed from the thermoelectric module (1) to the environment.
Предложенная конструкция термоэлектрического генератора является универсальной. В зависимости от требований по генерируемой электрической мощности и стоимости может быть изготовлена в двух вариантах, а именно, с термоэлектрическим герметизированным модулем (1) и последовательно соединенным с ним по тепловому потоку (Q) термоэлектрическиму радиатором «Антер», или возможен второй вариант, когда термоэлектрический радиатор «Антер» установлен через слой (клеевой) электрической изоляции (5) непосредственно на источнике тепла, в данном случае через тепловыравнивающую пластину (1) на трубопроводе (2), по которому прокачивается теплоноситель, например, нагретая вода в системе отопления. В этом варианте кроме передачи тепла от теплоносителя для отопления помещения, радиатор «Антер» вырабатывает еще и электричество, которое является бесплатным приложением к отоплению, причем конструкция радиатора «Антер» оптимизирована с точки зрения термодинамики, по тем же законам и расчетным формулам, что и обычного (известного) радиатора, по которым выбираются сечения ребер радиатора. В предложенном техническом решении это «р» (6) и «n» (7) типа проводимости ветви термоэлемента, которые в известном радиаторе (прототип) являются высокими ребрами. Межреберные воздушные зазоры, в предложенном устройстве - это расстояния между термоэлементами и их ветвями (9) также рассчитываются по известным формулам термодинамики.The proposed design of the thermoelectric generator is universal. Depending on the requirements for the generated electric power and cost, it can be manufactured in two versions, namely, with a thermoelectric sealed module (1) and an Anter thermoelectric radiator connected in series with it along the heat flow (Q), or the second option is possible, when thermoelectric radiator "Anter" is installed through a layer of (adhesive) electrical insulation (5) directly on the heat source, in this case through a heat-leveling plate (1) on the pipeline (2), through which the coolant is pumped, for example, heated water in the heating system. In this option, in addition to transferring heat from the coolant for space heating, the Anter radiator also generates electricity, which is a free addition to heating, and the design of the Anter radiator is optimized from the point of view of thermodynamics, according to the same laws and calculation formulas as conventional (known) radiator, according to which the sections of the radiator fins are selected. In the proposed technical solution, these are "p" (6) and "n" (7) of the type of conductivity of the thermoelement branch, which in the known radiator (prototype) are high ribs. Interfin air gaps, in the proposed device, are the distances between thermoelements and their branches (9) are also calculated using well-known thermodynamic formulas.
Для оптимизации электрических и термических сопротивлений на межэлементных коммутационных переходах, выполненных из низких пластин (4), они с двух боковых сторон (10), обращенных к ветвям по всей их длине и высоте, снабжены электропроводящим подслоем (10) для пайки или диффузионной сварки с ветвями (6,7), причем, низкие пластины для внутриэлементной коммутации с одной боковой стороны снабжены клеевым электроизоляционным теплопереходом (11), а их противоположная боковая сторона как и на межэлементных коммутационных низких пластинах также находится в неразъемном токопроводящем контакте с ветвью другого знака проводимости и по всей ее длине и высоте нанесен коммутационный подслой (10), для пайки или диффузионной сварки с ветвью термоэлемента, возможно также электропроводящее неподвижное соединение или подслой (10) выполнить из электропроводящего клея. Возможно также для коммутации использование затвердевающих сплавов на основе галлия. При размешивании порошкообразного галлия с чистыми (без окисной пленки) порошками меди, олова образуется взвесь, в которой при комнатной температуре происходит реакция растворения металлов в галлии с образованием достаточно тугоплавких сплавов, выпадающих в твердую фазу, например, сплав, по весу 44% Си + 24% Sn + 32% Ga может использоваться на воздухе до температуры 650°С. После перемешивания, взвесь наносится на соединяемые поверхности методом намазывания и сжимается до затвердевания в технологическом приспособлении, процесс происходит на воздухе при комнатной температуре и характеризуется высокой степенью безопасности и простоты.To optimize electrical and thermal resistances on interelement switching junctions made of low plates (4), they are equipped with an electrically conductive sublayer (10) on both sides (10) facing the branches along their entire length and height for soldering or diffusion welding with branches (6,7), moreover, low plates for intra-element switching on one side are equipped with an adhesive electrical insulating heat transfer (11), and their opposite side, as well as on inter-element switching low plates, is also in permanent current-conducting contact with a branch of a different conductivity sign and along its entire length and height, a connecting underlayer (10) is applied, for soldering or diffusion welding with a thermoelement branch, it is also possible to make an electrically conductive fixed connection or an underlayer (10) from an electrically conductive adhesive. It is also possible to use hardening alloys based on gallium for switching. When powdered gallium is mixed with pure (without an oxide film) powders of copper, tin, a suspension is formed in which, at room temperature, the reaction of dissolving metals in gallium occurs with the formation of sufficiently refractory alloys that precipitate into the solid phase, for example, an alloy, by weight 44% Cu + 24% Sn + 32% Ga can be used in air up to 650°C. After mixing, the slurry is applied to the surfaces to be joined by spreading and compressed to harden in the processing fixture, the process takes place in air at room temperature and is characterized by a high degree of safety and simplicity.
Для повышения качества коммутации ветви термоэлементов на обоих концах они снабжены торцевыми изгибами (12), изготовленными под прямым углом к длине ветви и направленными в противоположные стороны (13), причем длина изгибов двух соседних ветвей равна расстоянию между ними и ширине низких коммутационных пластин (4), и горячие и холодные спаи ветвей термоэлементов дополнительно соединены между собой с помощью стыковой сварки или пайки (3, 8).To improve the quality of switching of the thermoelement legs at both ends, they are equipped with end bends (12) made at right angles to the length of the leg and directed in opposite directions (13), and the length of the bends of two adjacent legs is equal to the distance between them and the width of the low connecting plates (4 ), and hot and cold junctions of thermoelement legs are additionally interconnected by butt welding or soldering (3, 8).
Ветви термоэлементов радиатора «Антер» выполнены из различных металлических термоэлектрических материалов и одна половина ветвей изготовлена из материала «р»-типа проводимости (6), например, меди, или железа, или антимонида цинка, а вторая соответствующая половина ветвей «n»-типа проводимости изготовлена из никеля (7), или кобальта или сплава копель, который в зарубежной технической литературе и некоторыми отечественными авторами называется - константан, состав которого по весу 61% меди, 39% никеля.The legs of the Anter radiator thermoelements are made of various metal thermoelectric materials, and one half of the legs is made of a material of “p” type conductivity (6), for example, copper, or iron, or zinc antimonide, and the other half of the legs is of the “n” type conductivity is made of nickel (7), or cobalt or an alloy of kopel, which is called constantan in foreign technical literature and some domestic authors, the composition of which is 61% copper, 39% nickel by weight.
Радиаторы «Антер» как термоэлектрические источники электропитания могут работать в широком температурном интервале от отрицательных температур, например, в космических ядерных реакторах с термоэлектрическим циклом для одновременного отвода тепла с холодной стороны термоэлектрического генератора и, как дополнительного источника электрической энергии повышающего суммарную электрическую мощность бортового источника электропитания, и его важный для космоса показатель как удельная мощность, т.е. ватт на килограмм.Anter radiators as thermoelectric power sources can operate in a wide temperature range from negative temperatures, for example, in space nuclear reactors with a thermoelectric cycle for simultaneous heat removal from the cold side of the thermoelectric generator and, as an additional source of electrical energy, increasing the total electrical power of the onboard power supply , and its important indicator for space as specific power, i.e. watt per kilogram.
Изготовление термоэлементов в радиаторе «Антер» из металлических материалов отличается простой технологией и низкой себестоимостью, т.к. ветви из меди, железа, никеля, кобальта и сплавов на их основе и других металлов заданного размера получают при помощи штамповки из листового проката. Некоторые виды проката как, например, низкоуглеродистое железо имеют оловянное покрытие, что не только предотвращает коррозию, но и упрощает соединение ветвей с помощью пайки.The manufacture of thermoelements in the Anter radiator from metallic materials is distinguished by a simple technology and low cost, because branches made of copper, iron, nickel, cobalt and alloys based on them and other metals of a given size are obtained by stamping from sheet metal. Some types of rolled products, such as low-carbon iron, are tin-plated, which not only prevents corrosion, but also makes it easier to connect the branches using soldering.
Кроме того, в последние десятилетия получен ряд новых металлических термоэлектрических соединений с повышенными энергетическими характеристиками, например, в сплаве на основе палладия, полученном сотрудником ФТИ имени А.Ф. Иоффе д.т.н. М.В. Ведерниковым коэффициент удельной термоэдс достигает 120 мкв/град.In addition, in recent decades, a number of new metal thermoelectric compounds with improved energy characteristics have been obtained, for example, in a palladium-based alloy obtained by an employee of the A.F. Ioffe Doctor of Technical Sciences M.V. Vedernikov, the specific thermopower coefficient reaches 120 μV/deg.
Наиболее значительная добавка в энергетические характеристики термогенератора, содержащего один или несколько герметизированных термоэлектрических модулей получается при изготовлении ветвей термоэлементов радиатора «Антер» из полупроводниковых термоэлектрических материалов, например, на основе халькогенидов свинца, висмута, сурьмы, германия, олова, скуттерудитов, силицидов, сульфидов «n» и «р» типов проводимости в зависимости от легирующих добавок.The most significant addition to the energy characteristics of a thermogenerator containing one or more sealed thermoelectric modules is obtained in the manufacture of thermoelement legs of the Anter radiator from semiconductor thermoelectric materials, for example, based on lead, bismuth, antimony, germanium, tin, skutterudites, silicides, sulfides. n" and "p" types of conductivity depending on the alloying additives.
С учетом значительного отличия полупроводниковых термоэлектрических материалов по механическим и теплофизическим свойствам от металлических, ветви полупроводниковые радиатора «Антер» изготавливают по известной из литературы технологии горячего пресования с использованием методов порошковой металлургии, включая торцевые изгибы ветвей. Коммутация ветвей осуществляется или пайкой, или диффузной сваркой. Сечения ветвей, их длина, воздушный зазор между ними (9) определяются с помощью расчетов по известным законам термодинамики. Возможен также вариант коммутации ветвей с помощью твердеющего раствора на основе галлия, указанного ранее и обладающего работоспособностью при горячей температуре на радиаторе до 650°С.Taking into account the significant difference between semiconductor thermoelectric materials in terms of mechanical and thermophysical properties from metal ones, the Anter semiconductor radiator legs are manufactured according to the hot pressing technology known from the literature using powder metallurgy methods, including end bends of the legs. Switching branches is carried out either by soldering or diffuse welding. The sections of the branches, their length, the air gap between them (9) are determined by calculations according to the known laws of thermodynamics. It is also possible to switch the branches with the help of a hardening solution based on gallium, indicated earlier and capable of working at a hot temperature on the radiator up to 650°C.
Выполнение ветвей термоэлементов радиатора «Антер» из полупроводниковых материалов особенно актуально в случае, когда получение электроэнергии в бортовом источнике питания стоит на первом месте, например, в космической энергетике, использующей ядерные реакторы с термоэлектрическим циклом.The execution of the thermoelement branches of the Anter radiator from semiconductor materials is especially important in the case when the generation of electricity in the onboard power source is in the first place, for example, in space energy using nuclear reactors with a thermoelectric cycle.
Замена обычных известных радиаторов на термоэлектрические типа «Антер» позволяет существенно повысить характеристику бортового источника электропитания по такому параметру, как удельная мощность (Вт/кг) в 1,6-2 раза. При этом одновременно повышается и КПД преобразования тепловой (ядерной) энергии в электрическую, и в зависимости от используемых полупроводниковых термоэлектрических материалов (из числа указанных выше), конструкции ветвей термоэлементов, величины теплового потока, поступающего на радиатор составляет 1,4-1,6 раза.Replacing conventional well-known radiators with thermoelectric ones of the "Anter" type makes it possible to significantly improve the characteristics of the onboard power supply in terms of such a parameter as specific power (W/kg) by 1.6-2 times. At the same time, the efficiency of converting thermal (nuclear) energy into electrical energy also increases, and depending on the semiconductor thermoelectric materials used (from among those indicated above), the design of the thermoelement branches, the amount of heat flow entering the radiator is 1.4-1.6 times .
Низкие пластины радиатора «Антер», образующие его основание (4) изготовлены из постоянных магнитов полностью или частично, что позволяет просто и надежно в сочетании с клеевым диэлектрическим слоем (5) крепить радиатор на термоэлектрическом модуле (1), в конструкции которого содержатся ферромагнитные материалы, например, железо. При изготовлении термогенератора только из термоэлектрических радиаторов «Антер», они вместо термоэлектрического модуля (1) крепятся неподвижно на тепловыравнивающей пластине (1) (ферромагнитной), установленной неподвижно на металлическом теплопроводе (2) любым известным способом, например, сваркой. На тепловыравнивающей пластине (1) устанавливается неподвижно термоэлектрический радиатор «Антер» или несколько радиаторов через фиксирующий диэлектрический клеевой слой (5), состав которого выбирается в зависимости от температуры теплопровода (2). В этом случае термоэлектрический генератор является одновременно и отопительной батареей (источником тепла) в нагреваемом помещении, например, жилом и источником электропитания для различного бытового использования, например, освещения (Rн), телевизора, компьютера, телефона и так далее.The low plates of the "Anter" radiator forming its base (4) are completely or partially made of permanent magnets, which allows simply and reliably, in combination with an adhesive dielectric layer (5), to fasten the radiator to the thermoelectric module (1), the design of which contains ferromagnetic materials , for example, iron. When the thermogenerator is manufactured only from Anter thermoelectric radiators, instead of the thermoelectric module (1), they are fixedly mounted on a heat-leveling plate (1) (ferromagnetic), fixedly mounted on a metal heat conductor (2) by any known method, for example, by welding. On the heat-leveling plate (1), an Anter thermoelectric radiator or several radiators are fixedly installed through a fixing dielectric adhesive layer (5), the composition of which is selected depending on the temperature of the heat pipe (2). In this case, the thermoelectric generator is both a heating battery (heat source) in a heated room, for example, a residential one, and a power supply source for various household uses, such as lighting (Rn), TV, computer, telephone, and so on.
Необходимо отметить, что при использовании радиатора «Антер» в качестве источника электропитания непосредственно в месте расположения потребителя электрической энергии практически отсутствуют потери электричества, обусловленные протяженностью электрической сети от места выработки электричества до потребителя, и нет затрат на строительство линий электропередач, и их эксплуатацию.It should be noted that when using the Anter radiator as a source of power supply directly at the location of the consumer of electrical energy, there are practically no losses of electricity due to the length of the electrical network from the place of generation of electricity to the consumer, and there are no costs for the construction of power lines and their operation.
Необходимо также отметить, выполнение низких пластин полностью или частично из постоянных магнитов для упрощения крепления радиатора «Антер» на ферромагнитных (нагреваемых) поверхностях, позволяет также повысить энергетические возможности радиатора, т.к. свойства термоэлектрических материалов существенно улучшаются при воздействии на них магнитного поля.It should also be noted that the implementation of low plates completely or partially from permanent magnets to simplify the mounting of the Anter radiator on ferromagnetic (heated) surfaces also makes it possible to increase the energy capabilities of the radiator, because. The properties of thermoelectric materials are significantly improved when exposed to a magnetic field.
Актуальность. По данным последней всероссийской переписи населения, значительное число жителей страны не имеют электричества, но все имеют в жилых помещениях источники тепла, в виде дровяных отопительных или варочных печей. Установка термогенераторов, состоящих только из термоэлектрических радиаторов «Антер» на корпусе кирпичной печи или на металлической вытяжной (дымовой) трубе позволяет осуществить электрификацию, при минимальных разовых затратах, жилых помещений, школ, медицинских пунктов и других сооружений. Предлагаемый автономный термоэлектрический источник электропитания (термогенератор) при изготовлении его только из термоэлектрического радиатора «Антер» является термогенератором утилизационного типа, не требующим для своей работы топлива, имеющим кратно более низкую себестоимость по сравнению с другими автономными источниками электроэнергии, например, ветряными или фотовольтаикой. Использование в конструкции термогенератора двух последовательно включенных в тепловом отношении термоэлектрических преобразователей (бинарный вариант), термоэлектрического модуля (1) и термоэлектрического радиатора (4) «Антер» позволяет кратно увеличить генерируемую электрическую мощность, при этом возрастает установочная стоимость термогенератора, но остается значительно более низкой по сравнению с другими автономными источниками, указанными выше. Термоэлектрический генератор предложенной конструкции при работе является абсолютно бесшумным, экологически безопасным, обладающим большим сроком службы, не менее 25 лет в бинарном варианте изготовления и до 50 лет при изготовлении только из термоэлектрических радиаторов «Антер», моноблочный вариант, выполненный из металлических термоэлектрических материалов, указанных выше.Relevance. According to the latest All-Russian population census, a significant number of the country's inhabitants do not have electricity, but all have sources of heat in their living quarters, in the form of wood-burning heating or cooking stoves. The installation of thermogenerators, consisting only of Anter thermoelectric radiators, on the body of a brick oven or on a metal exhaust (chimney) pipe allows electrification, at minimal one-time costs, of residential premises, schools, medical centers and other structures. The proposed self-contained thermoelectric power source (thermogenerator), when it is made only from the Anter thermoelectric radiator, is a utilization-type thermogenerator that does not require fuel for its operation, having a multiple lower cost compared to other autonomous sources of electricity, for example, wind or photovoltaics. The use in the design of the thermogenerator of two thermally connected thermoelectric converters in series (binary version), thermoelectric module (1) and thermoelectric radiator (4) "Anter" allows you to multiply the generated electric power, while the installation cost of the thermogenerator increases, but remains much lower compared to other offline sources listed above. The thermoelectric generator of the proposed design during operation is absolutely silent, environmentally friendly, has a long service life, at least 25 years in the binary version of the manufacture and up to 50 years in the manufacture of only Anter thermoelectric radiators, a monoblock version made of metal thermoelectric materials specified above.
Наиболее актуальна в социальном плане электрификация удаленных и труднодоступных районов страны, где бытовой отопительный источник тепла, снабженный термоэлектрическим радиатором «Антер», позволит существенно улучшить жизненные условия жителей этих районов страны.The most relevant in social terms is the electrification of remote and hard-to-reach regions of the country, where a domestic heating source of heat, equipped with an Anter thermoelectric radiator, will significantly improve the living conditions of the inhabitants of these regions of the country.
Но, и в электрифицированных районах страны с централизованным отоплением не будет лишней установка термоэлектрических преобразователей предложенной конструкции.But, even in electrified regions of the country with centralized heating, it will not be superfluous to install thermoelectric converters of the proposed design.
Расчеты показывают, что установка во всех отапливаемых помещениях, например, по одному радиатору «Антер» в каждом из них генерируемой мощностью 10 Вт, позволит получить в таком мегаполисе как Москва за отапливаемый период (4300 часов) автономной электрической энергии в количестве 1⋅1010 кВт/час, что позволит сократить расход органического топлива на тепловых электростанциях и уменьшить выброс в атмосферу вредных веществ, при этом сам радиатор «Антер» абсолютно безвреден.Calculations show that the installation in all heated rooms, for example, one Anter radiator in each of them with a generated power of 10 W, will make it possible to obtain autonomous electric energy in such a metropolis as Moscow for a heated period (4300 hours) in the amount of 1⋅10 10 kW / h, which will reduce the consumption of organic fuel at thermal power plants and reduce the emission of harmful substances into the atmosphere, while the Anter radiator itself is absolutely harmless.
Термоэлектрический радиатор «Антер» может также использоваться в термогенераторах при преобразовании в электричество геотермальных и других источников тепла.Anter thermoelectric radiator can also be used in thermogenerators when converting geothermal and other heat sources into electricity.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021116858A RU2764185C1 (en) | 2021-06-10 | 2021-06-10 | Thermoelectric generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021116858A RU2764185C1 (en) | 2021-06-10 | 2021-06-10 | Thermoelectric generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2764185C1 true RU2764185C1 (en) | 2022-01-14 |
Family
ID=80040454
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021116858A RU2764185C1 (en) | 2021-06-10 | 2021-06-10 | Thermoelectric generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2764185C1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2280919C2 (en) * | 2004-04-23 | 2006-07-27 | Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ) | Thermoelectric battery |
| US20130081663A1 (en) * | 2011-09-29 | 2013-04-04 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Thermoelectric module |
| RU2570429C1 (en) * | 2014-10-20 | 2015-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕРМОИНТЕХ" | Thermoelectric module |
| US9331257B2 (en) * | 2011-01-26 | 2016-05-03 | Emitec Gesellschaft Fuer Emissionstechnologie Mbh | Thermoelectric module with a heat conducting layer and method of manufacturing a thermoelectric module |
| US9865788B2 (en) * | 2014-02-21 | 2018-01-09 | MAHLE Behr GmbH & Co. KG | Thermoelectric device, in particular thermoelectric generator or heat pump |
| RU2717249C2 (en) * | 2017-12-12 | 2020-03-19 | Общество с ограниченной ответственностью "Термоэлектрические инновационные технологии" (ООО "ТЕРМОИНТЕХ") | Thermoelectric generator |
| RU2740589C1 (en) * | 2020-06-25 | 2021-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Термоэлектрические инновационные технологии" | Thermoelectric module |
-
2021
- 2021-06-10 RU RU2021116858A patent/RU2764185C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2280919C2 (en) * | 2004-04-23 | 2006-07-27 | Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ) | Thermoelectric battery |
| US9331257B2 (en) * | 2011-01-26 | 2016-05-03 | Emitec Gesellschaft Fuer Emissionstechnologie Mbh | Thermoelectric module with a heat conducting layer and method of manufacturing a thermoelectric module |
| US20130081663A1 (en) * | 2011-09-29 | 2013-04-04 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Thermoelectric module |
| US9865788B2 (en) * | 2014-02-21 | 2018-01-09 | MAHLE Behr GmbH & Co. KG | Thermoelectric device, in particular thermoelectric generator or heat pump |
| RU2570429C1 (en) * | 2014-10-20 | 2015-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕРМОИНТЕХ" | Thermoelectric module |
| RU2717249C2 (en) * | 2017-12-12 | 2020-03-19 | Общество с ограниченной ответственностью "Термоэлектрические инновационные технологии" (ООО "ТЕРМОИНТЕХ") | Thermoelectric generator |
| RU2740589C1 (en) * | 2020-06-25 | 2021-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Термоэлектрические инновационные технологии" | Thermoelectric module |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Enescu | Thermoelectric energy harvesting: basic principles and applications | |
| Gao et al. | Development of stove-powered thermoelectric generators: A review | |
| Sajid et al. | An overview of cooling of thermoelectric devices | |
| Ismail et al. | Thermoelectric power generation using waste-heat energy as an alternative green technology | |
| Kütt et al. | Thermoelectric applications for energy harvesting in domestic applications and micro-production units. Part I: Thermoelectric concepts, domestic boilers and biomass stoves | |
| Zhang et al. | High-performance nanostructured thermoelectric generators for micro combined heat and power systems | |
| Qiu et al. | Development of a thermoelectric self-powered residential heating system | |
| US10702097B2 (en) | Thermal conduction principle and device for intercrossed structure having different thermal characteristics | |
| Killander et al. | A stove-top generator for cold areas | |
| US20120204923A1 (en) | Thermoelectric piping apparatus and method for generating electricity | |
| RU2697406C1 (en) | Air heating device | |
| Qiu et al. | Development of thermoelectric self-powered heating equipment | |
| Cheng et al. | Efficient Mg2Si0. 3Sn0. 7 thermoelectrics demonstrated for recovering heat of about 600 K | |
| RU2764185C1 (en) | Thermoelectric generator | |
| Rosendahl et al. | Hybrid solid oxide fuel cell and thermoelectric generator for maximum power output in micro-CHP systems | |
| US20180287517A1 (en) | Phase change inhibited heat-transfer thermoelectric power generation device and manufacturing method thereof | |
| JP2012065418A (en) | Thermoelectric power generation system | |
| RU150186U1 (en) | THERMOELECTRIC GENERATOR | |
| JP4800727B2 (en) | Thermoelectric converter with semiconductor pin junction | |
| Mal et al. | Renewable energy from biomass cookstoves for off grid rural areas | |
| JPH07335943A (en) | Thermoelectric generating device | |
| JP2004193177A (en) | Thermoelectric effect device, energy direct conversion system and energy conversion system | |
| JPH10190073A (en) | Thermoelectric converter for furnace wall | |
| Singh et al. | Thermoelectric generator: A review | |
| Qiu et al. | Integrated thermoelectric generator and application to self-powered heating systems |