CC BY
82
TECHNICAL SCIENCES
The use of thermoelectric generators in a remote from
the DC power supply 1 2 Timofeev V. , Tikhonov N. (Russian Federation)
Использование термоэлектрических генераторов в условиях удаленных от постоянного электроснабжения Тимофеев В. Н.1, Тихонов Н. Ф.2 (Российская Федерация)
1Тимофеев Виталий Никифорович / Timofeev Vitalij - доктор технических наук, доцент; 2Тихонов Николай Федорович / Tikhonov Nikolay - старший преподаватель, кафедра прикладной механики и графики, машиностроительный факультет, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова, г. Чебоксары
Аннотация: данная статья относится к области электроэнергетики и может быть использована хозяйствами, использующими для отопления индивидуальные отопительные котлы.
Abstract: this article relates to the field of electricity and can be used by farms using for heating individual boilers.
Ключевые слова: теплота, электронный трехходовой кран, теплообменник, отопительный котел, автоматическое регулирование, термоэлектрический генератор, эффект Зеебека.
Keywords: heat, electronic three-way valve, heat exchanger, boiler, automatic control, thermoelectric generator, Seebeck effect.
С каждым годом запасы традиционных энергоресурсов необратимо иссякают (их хватит еще примерно на 40 лет) Во всем мире идет активный поиск альтернативных экологически чистых источников энергии. В связи с этим актуальным становится модернизация отопительных котлов путем прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, т. е. путем использования термоэлектрических генераторов для генерирования электроэнергии. Отопительные котлы индивидуальных зданий обладают достаточной энергией, необходимой для использования теплоты и создания требуемой разности температур между горячими и холодными спаями термоэлектрического генератора. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) привлекают отсутствием подвижных частей, полной автоматизацией, простотой монтажа и обслуживания, бесшумностью, большим сроком службы. Несмотря на то, что стоимость электроэнергии, вырабатываемой термоэлектрическими генераторами (ТЭГ), достаточно высока, они находят все более широкое применение в различных областях техники. Это обусловлено тем, что эффективность ТЭГ практически не зависит от уровня мощности, и в определенном диапазоне мощностей они становятся конкурентоспособными с традиционными источниками тока. Кроме того, в ряде случаев только ТЭГ могут обеспечить выполнение технических требований, предъявляемых к источникам питания автономных объектов. Здесь следует отметить, что благодаря этим свойствам термоэлектрические генераторы находят применение в областях, где требуются сверхнадежные источники электроэнергии, обладающие длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания: автоматические метеостанции, морские маяки, автономные космические аппараты, глубоководная океанографическая аппаратура и т. п. Недостатком ТЭГ является сравнительно низкий КПД преобразования энергии (3-5 %). Однако этот метод преобразования энергии в настоящее время получает все более широкое распространение в
энергетических установках, благодаря успехам технологии изготовления новых термоэлектрических материалов с высоким КПД и необходимыми свойствами тенденции к снижению их стоимости. Например, разработанная компанией «Komatsu Ltd» (Япония) на дизеле термоэлектрический генератор преобразует теплоту выхлопных газов ДВС в электрическую. У этого ТЭГ КПД составляет 7,2 %, что в два раза превышает КПД существующих термоэлектрических генераторов. Современные каскадные термоэлементы, состоящие из лучших полупроводниковых материалов, позволяют уже сейчас получить КПД преобразования порядка 10 %.
На современном уровне развития технологии производства термоэлектрических генераторов их применение экономически оправдано при уровне энергопотребления до 1000 Вт. ТЭГ являются устройствами непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Принцип действия термоэлектрического генератора основан на применении эффекта Зеебека, открытого в 1821 г. Он заключается в появлении термо-э.д.с. в замкнутой цепи из двух разнородных материалов, если места контактов поддерживаются при разных температурах.
В простом термоэлементе (рис. 1) термоэлектрического генератора, состоящем из разнородных материалов, при обеспечении разности температур на спаях (А Т) возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). А при замыкании цепи на нагрузку в ней протекает электрический ток. Возникновение термо-ЭДС (эффект Зеебека) связано с диффузией носителей заряда (электронов и дырок), возникающей под действием разности температур. При этом значение термо-ЭДС (Е) определяется как:
Тг
Е ={а(Т) л, (1)
Т
х
где Тг, Тх - температура соответственно, «горячих» и «холодных» спаев термоэлемента; а(Т) - коэффициент термо-ЭДС (коэффициент Зеебека), зависящий от свойств материала).
Рис. 1. Термоэлемент: 1, 2 - термоэлектроды, 3 - коммутационное соединение 27 ■ European science № 3(13)
Разность потенциалов, возникающая на термоэлементе, имеет малую величину, поэтому для повышения КПД преобразования следует применять комбинированные электроды, состоящие из разных материалов, а для получения требуемой мощности следует набирать модуль ТЭГ из термоэлементов, соединенных параллельно или последовательно [1].
Термоэлектрический метод прямого преобразования теплоты в электроэнергию отличается тем, что для него характерны как тепловые, так и электрические процессы, протекающие в термоэлементах. При этом проявляются обратимые процессы, связанные с термоэлектрическими эффектами, и необратимые, связанные с теплопроводностью ввиду градиента температур, необходимого для осуществления преобразования и выделением джоулевой теплоты при прохождении тока.
Полезная мощность ТЭГ, выделяемая на нагрузке, зависит от природы термоматериалов, коэффициента термо-ЭДС, разности температур на «горячих» и «холодных» спаях, внутреннего сопротивления ТЭГ и отношения к нему сопротивления нагрузки. КПД термоэлектрического генератора определяется как отношение полезной мощности к тепловой мощности, передаваемой «горячим» спаям.
Разработанная нами схема прямого преобразования тепловой энергии включает отопительный котел, преобразователь прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, т. е. термоэлектрический генератор (ТЭГ) [2], установленный на отопительном котле и элементы автоматики (рис. 2).
Основными элементами данного устройства являются газовый отопительный котел, термоэлектрические генераторные модули (ТМ), контур отопления, электрический регулятор, потребитель, аккумулятор и элементы автоматики.
Корпус отопительного котла является горячим теплообменником и служит для установки ТМ и холодного теплообменника. ТМ устанавливаются между холодным и горячим теплообменниками. Холодный теплообменник охлаждается теплоносителем контура отопления, а горячий теплообменник нагревается от корпуса отопительного котла. При включении данного устройства газовая горелка начинает работать, при этом нагреваются горячий теплообменник и теплоноситель контура отопления.
Горячий теплообменник в результате теплообмена нагревает горячие спаи термоэлектрического генераторного модуля (ТЭГМ). Теплоноситель контура отопления отапливает объект отопления, охлаждает холодный теплообменник и холодные спаи ТЭГМ.
Температура «горячих» и «холодных» спаев ТЭГМ контролируется датчиками температуры. При превышении температуры горячих спаев ТЭГМ уменьшает подачу газа в газовую горелку, а при превышении температуры холодных спаев ТЭГМ увеличивает подачу теплоносителя на холодный теплообменник.
На наружной поверхности горячего теплообменника установлена сточенная плоская площадка, которая предназначена для установки ТЭГМ и соединения теплообменников. Такая конструкция позволяет обеспечить прижим ТЭГМ к теплообменникам с требуемым удельным давлением, экономить металл горячего теплообменника, получить разъемное соединение, состоящее из горячего и холодного теплообменников, ТЭГМ.
Рис. 2. Принципиальная схема устройства для прямого преобразования тепловой энергии в
электрическую:
1 -корпус отопительного котла - горячий теплообменник; 2 - горелка; 3 - термоэлектрические генераторные модули (ТЭГМ); 4 - холодный теплообменник; 5, 6 - датчики горячих и холодных спаев; 7 - газовый баллон; 8 - электромагнитный вентиль; 9 - объект отопления; 10 - электрический циркуляционный насос; 11 - электронный трехходовой кран; 12 - крепежные элементы: 121 - винт, 122 -гайка, 123 - шайба; 13 - преобразователь напряжения; 14 - потребитель; 15 - аккумулятор; 16 - блок управления; 17, 18 - блок сравнения; 19, 20 - задатчики; 21 - пульт питания; 22 - переключатель; 23, 24, 25, 26 - каналы отопления; каналы электроэнергии; 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37; 38, 39, 40, 41, 42, 43 - каналы электрических сигналов; 44, 45 -каналы подачи газа
29 ■ Быгореап Баепсе № 3(13)
Горячие спаи ТЭГМ нагреваются от горячего теплообменника, а холодные спаи ТЭГМ охлаждаются в результате теплообмена с холодным теплообменником. Температура холодного теплообменника контролируется теплоносителем контура отопления.
Холодный теплообменник 4 должен обладать высокой теплопроводностью, поэтому его рекомендуется изготовлять из алюминия. Электрический регулятор в зависимости от температуры холодных спаев ТЭГМ регулирует поток теплоносителя контура отопления.
Электромагнитный клапан служит для подачи необходимого газа в горелку 2. Аккумулятор 15 служит для накопления электроэнергии при работе данного устройства и ее использование потребителем при нерабочем состоянии устройства.
Разработанное устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую [3] работает следующим образом.
Электромагнитный клапан приводится в действие, и газ поступает в горелку, которая начинает работать. Теплоноситель контура отопления с помощью насоса начинает циркулировать, а электрический регулятор контролирует подачу требуемого количества теплоносителя в теплообменники.
При этом теплоноситель контура отопления в результате теплообмена охлаждает холодный теплообменник 4, холодные спаи ТЭГМ 3 и по каналу 38 поступает в электрический регулятор 11, и процесс циркуляции теплоносителя контура отопления возобновляется.
Температура горячих и холодных спаев ТЭГМ контролируется датчиками температуры и элементами автоматики.
На горячих спаях ТЭГМ происходит поглощение теплоты от горячего теплообменника, а с холодной стороны отводится теплота теплоносителем контура отопления за вычетом электроэнергии, полученной на внешней нагрузке.
На внешней нагрузке в преобразователе напряжения 13 создается напряжение, равное термо-ЭДС, за вычетом падения напряжения и внутреннего сопротивления электроэнергия подается потребителю 14 и в аккумулятор 15 и происходит накопление электроэнергии. Полученная электроэнергия в аккумуляторе 15 используется потребителем 14 при нерабочем состоянии устройства.
Количество полученной электроэнергии зависит от количества ТЭГМ, разности температур между спаями. В связи с этим потребитель сам определяет необходимое количество ТЭГМ [4].
Таким образом, устройство можно использовать в труднодоступных местах (дачи и т. п.), где отсутствует централизованный источник электроэнергии, а также в аварийных ситуациях, например, аварийный случай в Крыму (2015 г.).
Литература
1. Свидетельство на полезную модель № 5015. Термоэлектрическое устройство для охлаждения, нагрева и стабилизации температуры продуктов питания / В. Н.Тимофеев, А. Н. Ильгачев, А. А. Ильина и др. Опубл. в БИ 16.09.97.
2. Патент № 92247, И01Ь 35/28. Судовой термоэлектрический генератор / В. Н. Тимофеев. Опубл. 10.03.2010 в БИ № 7.
3. Патент № 118406. Россия, МПК ^25/02. Устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую / В. Н. Тимофеев, И. Г. Васильева, А. В. Тимофеев, Д. В. Тимофеев, Н. И. Махоткина. 0публ.20.07.2012 в БИ. № 20.
4. Температурный режим двигателей внутреннего сгорания и его регулирование / В. Н. Тимофеев. - Чебоксары: Изд-во Чуваш.ун-та, 2008. - 358. с.
Еигореап Баепсе № 3(13) ■ 30
