Научная статья на тему 'Инновационная деятельность компании «Криотерм» в области разработки и производства термоэлектрических приборов и устройств'

Инновационная деятельность компании «Криотерм» в области разработки и производства термоэлектрических приборов и устройств Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

CC BY
109
23
Поделиться
Ключевые слова
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА / THERMOELECTRIC SYSTEM / АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ / ALTERNATIVE ENERGY SOURCES / ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ / THERMOELECTRIC TRANSFORMATION OF THERMAL ENERGY TO ELECTRICITY / ЭНЕРГОПЕЧЬ / ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ / ENERGY STOVE / R&D

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук, автор научной работы — Шостаковский Пётр Георгиевич

Благодаря программе «Темп» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, в рамках выполненной НИОКР, компания КРИОТЕРМ освоила серийный выпуск электрогенерирующих устройств на основе термоэлектрических генераторных модулей нового поколения, позволивших открыть новые горизонты применения термоэлектрического преобразования энергии теплового потока в электричество.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук , автор научной работы — Шостаковский Пётр Георгиевич,

Innovation Activity of the Krioterm Company in Development and Production of Thermoelectric Devices and Equipment

With the TEMPO programme of the Foundation for Assistance to Small Innovative Enterprises at Science and Technology the company could serialize electrogenerating equipment on the basis of thermoelectric generative modules of new generation. It gave a possible to open new horizons for application of thermoelectric transformation from energy of thermal current to electricity.

Текст научной работы на тему «Инновационная деятельность компании «Криотерм» в области разработки и производства термоэлектрических приборов и устройств»

^ИННОВАЦИОННЫЕ КОМПАНИИ. ИСТОРИИ УСПЕХА

ЕЭ

Санкт-Петербург http://www.kryotherm.ru/ru/

Инновационная деятельность компании «Криотерм»

в области разработки и производства термоэлектрических приборов и устройств

Благодаря программе «Темп» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках выполненной НИОКР компания КРИОТЕРМ освоила серийный выпуск электрогенерирующих устройств на основе термоэлектрических генераторных модулей нового поколения, позволивших открыть новые горизонты применения термоэлектрического преобразования энергии теплового потока в электричество.

П. Г. Шостаковский,

коммерческий директор, компания «КРИОТЕРМ», info@kryotherm.ru

Компания КРИОТЕРМ была основана в 1992 г. на базе филиала «Всесоюзного Научно-исследовательского Института Источников Тока», специализировавшегося на разработке и выпуске небольших партий термоэлектрических систем для нужд военной и аэрокосмической отраслей. Основным направлением деятельности ученых было создание источников электрической энергии на основе термоэлектрического эффекта для обеспечения работоспособности космических аппаратов. В качестве источника энергии применялось ионизирующее излучение изотопов с длительным периодом полураспада. Большой опыт разработки и производства высоконадежных и высокоэффективных термоэлектрических систем послужил отличной базой для создания и развития компании.

В течение последних лет, благодаря высокому научному потенциалу, высокопроизводительному современному оборудованию и системе управления предприятием, компания завое-

вала лидирующие позиции на мировом рынке разработчиков и производителей термоэлектрических модулей.

Сегодня «КРИОТЕРМ» является крупнейшим в России и одним из ведущих мировых разработчиков и производителей высококачественных термоэлектрических модулей и систем на их основе. Отличительной особенностью компании является наличие полного цикла разработки и изготовления термоэлектрической продукции с собственным производством полупроводникового вещества для ТЭМ, высокотехнологичным оборудованием сборочного производства и специализированным испытательным оборудованием.

Компания имеет в своей номенклатуре более 250 типов продукции с различной степенью технологической завершенности (от высокоэффективного полупроводникового вещества и термоэлектрических элементов до термоэлектрических модулей, сборок и устройств на их основе). Это обеспечивает высокую устойчивость

ИННОВАЦИОННЫЕ КОМПАНИИ. ИСТОРИИ УСПЕХА^

позиций компании на рынке термоэлектрических устройств, позволяет обеспечивать заказчиков как универсальными, так и специализированными решениями.

Система менеджмента качества компании соответствует стандартам ИСО 9001-2008.

Альтернативные источники электрической энергии компании «Криотерм»

Разнообразие областей приборов, требующих альтернативное электрическое питание, растет с появлением новых технологий и новых направлений их применения. Все приборы и устройства требуют надежных источников питания, причем год от года потребляемая мощность для аналогичных приборов снижается, а требования к надежности возрастают. Прокладка кабеля питания по своей стоимости является существенным ограничением, а в некоторых случаях подвести кабель питания не представляется технически возможным. Применение термоэлектрического преобразования теплового потока в электрическую энергию для многих случаев становится незаменимым.

К неоспоримым достоинствам термоэлектрического прямого преобразования тепловой энергии в электрическую следует отнести отсутствие промежуточного звена, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Также термоэлектрические генераторы (ТЭГ) обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность. Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих, приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях — это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и/или газов под высоким давлением. (Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе.)

I Рисунок 1. Распределение температур поверхностей промышленных агрегатов.

Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации. ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90% сбрасываемой (отводимой) тепловой энергии от различных устройств и механизмов происходит при температуре поверхностей до +300 °С (Рис. 1). Данная температура является приемлемой для построения термоэлектрической системы. Тепловой поток с такой температурой не может быть преобразован в электрическую энергию иными способами.

Сферы применений ТЭГ крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем до бытовых генераторных устройств, например в составе дровяной топочно-варочной печи, камина и котла.

Приведем несколько примеров практического применения ТЭГ:

• использование отводимого от двигателей (автомобильных, корабельных и др.) тепла;

• автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;

• источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов;

• автономное обеспечение энергией электронных блоков и насосов во-

дяных котлов и мусоросжигательных установок;

преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;

обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи; обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии (Energy Harvesting), собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10 °C); получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре.

I Рисунок 2. Схематическое представление термоэлектрического эффекта на примере термопары из элементов п- и р-типа.

Напряжение термо-ЭДС Етэдс прямо пропорционально коэффициенту Зеебека а и разнице температур АТ между горячей ТЬ и холодной Тс сторонами (спаями) термоэлектрической пары (рис. 2).

Представленная конструкция термопары состоит из разнородных полупроводниковых термоэлементов п- и р-типа, соединенных между собой на одной стороне, другие два свободных конца подключаются к нагрузке Ян. Если температура места контакта отлична от температуры свободных концов, то по такой цепи пойдет ток, а на нагрузке будет выделяться полезная мощность. Величину термо-ЭДС можно определить по формуле:

I Рисунок 3. Чертёж термоэлектрического генераторного модуля.

Етэдс=а • АТ

(1.1)

Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею или термоэлектрический модуль, графическое изображение которого представлено на рис. 3 и рис. 4.

I Таблица 1

I Рисунок 4. Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе.

Бытовой прибор Дополнительные возможности

1. Печи для отапливания помещения • освещение помещения безопасным напряжением 12 В; • зарядка аккумуляторов бытовых приборов; • обеспечение ускоренной циркуляции воздуха за счёт применения вентиляторов; • питание ЖК телевизора и другой радиоаппаратуры; • зарядка аккумулятора для использования энергии после окончания протопки.

2. Камины • независимое питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха по дому; • питание автономной подсветки.

3. Печи для саун • питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха; • питание освещения и маломощных приборов безопасным напряжением 12 В; • зарядка аккумулятора для питания устройств после протопки.

4. Мангалы, жаровни, барбекю • питание подсветки; • питание системы регулирования температуры жарки; • питание моторчика вращения шампура.

5. Душевые кабины • питание автономной подсветки; • питание встроенного радиоприёмника.

6. Отопительные котлы • питание циркуляционного насоса; • питание маломощных бытовых устройств.

7. Солнечные концентраторы тепловой энергии • получение электрической энергии для питания систем телеметрии, автоматики, циркуляции теплоносителя и др.

Создание высокоэффективных термоэлектрических генераторных модулей компанией КРИОТЕРМ позволило расширить рынки их применения, в том числе и бытового применения.

В таблице № 1 приведён ряд современных бытовых применений ТЭГ.

Выходная мощность генераторов определяется типом и числом термоэлектрических модулей, входящих в состав генератора, а также конструкцией радиаторов.

Линейка выпускаемых компанией «КРИОТЕРМ» ТЭГ промышленного назначения обеспечивает возможность получения электрической мощности от 2 до 200 Вт от одного генератора. При выполнении условий согласования можно суммировать вырабатываемую мощность от нескольких генераторов.

Практические результаты выполнения программы «Темп»

Основой одного из наиболее популярных генераторов компании ТЭГ В25-12 послужили термоэлектрические модули нового поколения, разработанные и освоенные в производстве в рамках программы «Темп». Он вырабатывает 25 Вт электрической мощности при обеспечении температуры на нагреваемой поверхности от 300 до 400 °С. Генератор надёжен и неприхотлив в эксплуатации.

Термоэлектрический генератор В25-12 предназначен для получения электрической энергии от дровяной печки, имеет выходную мощ-

ИННОВАЦИОННЫЕ КОМПАНИИ. ИСТОРИИ УСПЕХА^

ность 25 Вт и выходное напряжение 12 В постоянного тока. Он предназначен для зарядки аккумуляторного блока электрической энергией, получаемой от любой нагретой поверхности размером 200 х 250 мм дровяной печки. Допускается установка ТЭГ В25-12 так, что бы рабочая поверхность ТЭГ В25-12 выходила непосредственно в топку дровяной печки через прямоугольное отверстие размерами 180 х 180 мм в металлической стенке печки.

Генератор обеспечивает непрерывную круглосуточную работу без постоянного наблюдения за его работой. Имеет степень защиты от прикосновения к токоведущим частям, попадания твердых посторонних тел и жидкости — 1Р31 по ГОСТ 14254-96. Основные технические характеристики ТЭГ В25-12 приведены в таблице 2.

Общий вид ТЭГ В25-12 показан на рис. 5 и 6.

Человек научился добывать огонь и обеспечил себя теплом и горячей пищей. А установив на ЭНЕРГОПЕЧЬ термоэлектрический генератор, компания КРИОТЕРМ добавила к этому получение электроэнергии.

Инновационные разработки, применённые при создании термоэлектрического генераторного модуля,

I Таблица 2 Основные технические характеристики ТЭГ В25-12

I Рисунок 5. 1 — нижний кожух; 2 — верхний кожух; 3 — крепежная шпилька; 4 — вентилятор; 5 — радиатор; 6-решетка радиатора; 7 — выходной разъем; 8 — выходной кабель.

Наименование параметра Значение

Длина, мм 252

Ширина, мм 252

Высота, мм 160

Вес, кг, не более 6.5

Выходное напряжение, В 12

Выходная мощность, Вт, не менее 25

Режим работы стационарный

Температура установочной поверхности,°С,не более 400

ставшего основой генератора В25-12, позволили сделать его базовым для продуктовой линейки топочно-вароч-ных печей под общим наименованием «ЭНЕРГОПЕЧЬ» с выходной мощностью от 25 до 50 Вт, предназначенных для различных условий эксплуатации. Изделия из ряда «ЭНЕРГОПЕЧЬ» предназначены для экономичного воздушного отопления жилых и производственных помещений, гаражей, подвалов, а также для разогрева и приготовления пищи и выработки электрической энергии. Теперь, даже

I Рисунок 6. Внешний вид генератора В25-12 М.

находясь вдали от электросетей, с помощью такой печи можно обеспечить освещение, зарядить автомобильный аккумулятор, ноутбук, навигатор, мобильный телефон или рацию, подключить портативный телевизор. Военные, спасатели, геологи, туристы, дачники, рыбаки и охотники — все, кому приходится бывать в самых глухих необжитых местах — смогут обеспечить себе более комфортное существование.

Применяемое топливо — дрова, торфобрикеты, пеллеты. Печи снабжаются устройствами стабилизации напряжения. В случае применения аккумулятора дают возможность накапливать электрическую энергию. После зарядки аккумулятора, при наличии соответствующего преобразователя напряжения, к нему можно подключать более мощные бытовые устройства по сравнению с вырабатываемой мощностью. Конечно, время работы таких устройств будет определяться ёмкостью аккумуляторной батареи и степенью её заряда. Чем дольше топится печь, тем больше электрической энергии может быть накоплено в аккумуляторной батарее. Электрогенератор печи выходит на стабильный режим через 10-20 минут после зажигания топлива в печи. Электроприборы подключаются через разъем автомобильного прикуривателя, который находится на блоке стабилизации напряжения.

Энергопечь «Вега-25»

Отличительной особенностью данной печи является её относительно небольшая масса — 22 кг, что позволяет перевозить её с места на место. Печь особенно востребована охотниками, рыболовами и строителями. Печь может быть установлена не только в жилом помещении, но и в палатке и просто под навесом. Основные параметры печи приведены в табл. 3, а внешний вид на рис. 7.

Энергопечь «Арктур»

Отличительной особенностью данной печи является то, что она позволяет отапливать помещение с объёмом до 150 м. куб. (тепловая мощность