Генераторы термоэлектрические

Мы создаём энергию

Обеспечение максимальной надежности электропитания удаленных объектов является приоритетной задачей компании. Инженерный отдел предоставляет консультации и рекомендации для выбора наилучшего варианта электропитания, помогает избежать дорогостоящих и трудоёмких проектных ошибок при выборе системы электропитания. Среди наиболее частых ошибок:

– применение автономных источников питания удалённых объектов как стандартных сетевых источников;

– игнорирование сравнения эксплуатационных затрат различных видов автономных источников;

– выбор ненадежного источника питания для ответственных потребителей;

– неправильная оценка профилей нагрузок;

– неправильный выбор буферных аккумуляторов;

– невыполнение нормативных требований.

Термоэлектрические генераторы серии ГТЭГ компании Экоген обеспечивают надежное и экономичное автономное электроснабжение в самых отдаленных и экологически сложных местах нашей планеты.

Экоген занимает лидирующие позиции в производстве и поставках термоэлектрических генераторов с наивысшей эффективностью и мощностью. до 1000 Вт. На базе генераторов строят автономные источники электропитания с мощностью до 10 кВт.

Генераторы компании Экоген осуществляют прямое преобразование тепловой энергии в электричество, не содержат в своей конструкции вращающихся и изнашиваемых деталей, не требуют проведения сервисных работ более 1 года. Генераторы работают на природном газе, пропане или сжиженном нефтяном газе.

Экоген предлагает полный спектр решений для надежной промышленной энергетики в отдаленных районах.

Когда питание недоступно или сетевое питание ненадежно, ГТЭГ может обеспечить экономически эффективное удаленное решение для вашего промышленного объекта.

 

Некоторые области применения:

Морские платформы

Термоэлектрический генератор является идеальным решением для суровых и сильно агрессивных условий морских платформ. Они обеспечивают первичное питание безлюдных платформ и резервное питание платформ с персоналом, в том числе в опасных условиях от Арктики до тропиков.

Аппаратура диспетчерского управления и сбора данных (SCADA)

Электропитание диспетчерских систем управления и сбора данных (SCADA) для мониторинга, измерения и управления оборудованием в полевых условиях. Термоэлектрические генераторы используются для бесперебойного электропитания телеметрических установок, газоанализаторов, измерительного оборудования, аппаратуры аварийного отключения и многого другого.

Автоматизация клапанов и задвижек

Термоэлектрические генераторы обеспечивают питанием различные исполнительные механизмы на трубопроводах: от управления электромагнитными клапанами до систем приведения в действие распределительных клапанных станций. ГТЭГ обеспечивают надежное автономное питание оборудования дистанционного управления и мониторинга.

Катодная защита

Когда коррозия на удалённых объектах нефте-газодобывающей промышленности является проблемой, катодная защита с питанием от ГТЭГ является решением. Термоэлектрические генераторы обеспечивают надежный и экономичный источник постоянного тока для минимизации коррозии трубопроводов.

Охрана и видеонаблюдение

По сравнению с большинством электрогенераторов ГТЭГ отлично подходят для систем безопасности и наблюдения в удаленных от электросетей районах. Подключение к информационным сетям в отдаленных районах часто бывает проблемой из-за отсутствия надёжного электропитания. ГТЭГ решает эту проблему, предлагая надежное и непрерывное автономное питание в любых условиях.

 

Термоэлектрические модули и агрегаты НПО Кристалл

ООО НПО «Кристалл» — инновационная компания, специализирующаяся на массовом производстве и исследованиях высококачественных термоэлектрических материалов, модулей Пельтье, термоэлектрических сборок на их основе и систем для промышленных, специальных применений. Продукция создается на основе твердых растворов теллурида висмута, полученных уникальным способом кристаллизации (кристаллизация методом Бриджмена). Наша уникальная технология защищена многочисленными патентами.

Наша миссия — непрерывное развитие исследований, массового производства и продвижения конкурентоспособной продукции в целях:
– укрепления репутации надежного и ответственного поставщика;
– повышения благосостояния каждого сотрудника компании;
– достижения наибольшей прибыли за счет максимального удовлетворения требований заказчиков;
– улучшения экологии;

– развития волонтёрской деятельности.

Сегодня компания обеспечивает полный цикл создания инновационной охлаждающей продукции, начиная с разработки термоэлектрических материалов и заканчивая продвижением своей продукции на рынке. Доступным является широкий спектр серийно производимой термоэлектрической продукции:

• термоэлектрический модуль стандартный (модуль Пельтье),
• термоэлектрический модуль миниатюрный (мини модуль Пельтье),
• термоэлектрический модуль многокаскадный (каскадный модуль Пельтье),
• специальный термоэлектрический модуль (модуль Пельтье круглой формы, с встроенным терморезистором и др. ),
• генераторный термоэлектрический модуль,
• термоэлектрическая сборка (термоэлектрический агрегат на элементах Пельтье) воздух-воздух
  ,
• термоэлектрическая сборка (OUTDOOR термоэлектрический агрегат) воздух-воздух для уличного применения,
• термоэлектрическая сборка (термоэлектрический агрегат на элементах Пельтье) жидкость-воздух,
• термоэлектрическая сборка (термоэлектрический агрегат на элементах Пельтье) контакт-воздух,
• термоэлектрическая сборка (термоэлектрический агрегат на элементах Пельтье) жидкость-жидкость,
• чиллеры,
• контроллеры.

Преимуществом сотрудничества с компанией ООО НПО «Кристалл» является доступность инженерных разработок в области теплового менеджмента, включая сложные решения в области термоэлектрического охлаждения и разработки систем теплового контроля на основе термоэлектрических модулей Пельтье (TEM). В наших термоэлектрических сборках мы используем модули Пельтье с высокой эффективностью, надежностью и производимые только компанией ООО НПО Кристалл на своем серийном заводе в городе Богородицк, Тульской области.

С 1998 года ООО НПО «Кристалл» имеет репутацию надежного поставщика термоэлектрических изделий. Огромный опыт международных продаж и сильная техническая поддержка являются ключевыми преимуществами продвижения термоэлектрической продукции в Европе, Азии, Ближнем Востоке, Северной Америке и внутреннем рынке.

Термоэлектрические устройства, производимые компанией Кристалл, выгодно отличаются высокими рабочими параметрами, большим ресурсом, привлекательной ценой и конкурентными сроками поставки.

Аналитика. Термоэлектричество в быту и на орбите

20.09.12 12:07

Поиск экологически чистых, возобновляемых источников энергии – тема год от года все больше волнующая специалистов. Один из способов получения энергии, не связанный с углеводородами, основан на прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую.

Два века тому назад

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) – устройства, непосредственно преобразующие тепловую энергию в электрическую. В основе их действия лежит эффект, открытый Томасом Зеебеком еще в 1820 году. Суть эффекта состоит в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых имеют разную температуру, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивается так же, как и в присутствии магнитного материала. Изначально автор назвал это явление термомагнетизмом, и только впоследствии открылось, что речь идет о возникновении электрического напряжения в спае двух проводников, имеющих разную температуру.

«Эффективность термоэлектрического преобразования теплового потока в электрическую энергию для наилучшего сочетания значений термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) рядов пар материалов, составленных самим первооткрывателем этого эффекта, могла достичь 2–3%, что значительно превосходило КПД паровых машин того времени», – пишет Петр Шостаковский, коммерческий директор компании «Криотерм» (г. Санкт-Петребург).

В последующие десятилетия были открыты еще два взаимосвязанных эффекта. Жан-Шарль Пельтье обнаружил прохождение электрического тока через спай разнородных проводников, один из них нагревается, а другой охлаждается. Затем Уильям Томсон (лорд Кельвин) доказал, что при прохождении электрического тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, в проводнике выделяется или поглощается тепло в зависимости от направления тока.

Однако открытиям Зеебека долгое время не находилось практического применения. Основоположником современной термоэлектрической энергетики стал советский физик А. Ф. Иоффе, работавший над проблемой с 30-х годов ХХ века. Именно ему удалось установить, что эффективность термоэлектрического преобразования существенно возрастет, если вместо металлов в спае использовать полупроводниковые материалы, термоЭДС которых значительно выше. Открытие легло в основу создания в 1942 году «партизанского котелка», питавшего радиостанции партизанских отрядов в годы Великой Отечественной войны.

На суше, на море и в космосе

«Исторически основными областями применения термоэлектрического генераторного эффекта были оборонная и аэрокосмическая отрасли, – рассказывает Петр Шостаковский. – Это, отчасти, определило второстепенную роль термоэлектричества в промышленной энергетике».

В Советском Союзе продолжились разработки генераторов, преобразующих тепловую энергию сжигаемого топлива, радиоактивного распада и солнечной радиации в электрическую. Устройства стали применяться в удаленных и труднодоступных точках земного шара – морские маяки, автоматические метеостанции, активные ретрансляторы и т.д. 

 

Автономный источник питания для КП телемеханики промышленных газопроводов (фото ООО «Экотехника»)

 

«ТЭГ получили широкое распространение в автономных источниках питания на контрольных пунктах телемеханики промышленных газопроводов, где источником тепла служит природный газ, – отмечает Евгений Ханин, технический директор ООО «Экотехника» (г. Москва). – КП телемеханики располагаются вдоль газопроводов через каждые 10-30 км и потребляют, как правило, несколько сотен Вт, так что строительство притрассовых ЛЭП, особенно в зонах с вечной мерзлотой, экономически не выгодно.

Также термоэлектрические генераторы применяются на сейсмостанциях, где недопустимы вибрации источника электропитания. Они стоят и на ряде спутников в качестве основного источника питания. Для аппаратов дальнего космоса ТЭГ, использующие тепло распада радиоизотопов, – безальтернативный вариант».

 

АИП на сейсмостанции в Киргизии (фото ООО «Экотехника»)

 

Возможно, в перспективе, термоэлектрические генераторы будут использовать на Луне и планетах Солнечной системы. Тот факт, что на ТЭГ полагаются даже в Космосе, лишний раз свидетельствует об их неоспоримых достоинствах. Одно из главных – полная автономность.

«Для ТЭГ характерна высокая надёжность, так как в них отсутствуют какие-либо движущиеся детали, – поясняет Сергей Фунин, директор ООО «Глобал Сервис» (представитель Global Thermoelectric (Канада)). – Среднестатистическое время профилактического обслуживания ТЭГ – 1-2 часа в год; срок эксплуатации без капитального ремонта не менее 20 лет с низким коэффициентом деградации выходной мощности (0,2% в год). Такие генераторы могут работать практически в любых климатических и погодных условиях, предельно просты в эксплуатации и обслуживании, а по площади занимают значительно меньше места, чем альтернативные источники электропитания».

Возможно, указанные цифры могут несколько отличаться у различных производителей, однако в целом характеристики остаются сходными, так как обусловлены самим принципом работы устройства.

Универсальность ТЭГ не только в том, что они работают в любой среде, но и в том, что могут использовать тепло практически от любых источников. К примеру, были попытки получить электричество за счет термальных вод на Дальнем Востоке, однако на практике это пока обходится слишком дорого.

Главным же недостатком термоэлектрических генераторов остается их сравнительно низкая эффективность. На сегодняшний день максимальный КПД преобразования энергии составляет порядка 8%. Отсюда очевидно, что основной путь для развития термоэлектрической генерации – поиск решений, повышающих эффективность ТЭГ. Чтобы приблизиться к пониманию этой задачи, разберемся, что представляет собой устройство.

 

Заглянем внутрь

«В упрощенном виде термоэлетрический генератор состоит из металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля (ТГМ) и охлаждающего радиатора, отводящего тепло и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур, – поясняет Петр Шостаковский. – ТГМ включает в себя разнородные полупроводниковые термоэлементы n- и p-типа, соединенные между собой последовательно и конструктивно размещённые между двух керамических пластин, т.е. по тепловому потоку все термопары включены параллельно. Если температура поверхностей модуля будет различной, то на выводах модуля появится разность потенциалов, а при подключении нагрузки начнёт протекать электрический ток и выделяться полезная мощность.

 

Основные блоки генератора Глобал (схема ООО «Глобал Сервис»)

 

Что можно усовершенствовать в таком устройстве? Слово нашим экспертам.

«Повышение эффективности ТЭГ в первую очередь связано с разработкой новых термоэлектрических материалов, в том числе наноструктурированных, – считает Евгений Ханин. – Другой путь – разработка новых конструкционных материалов, с обеспечением температуры термобатарей до 1000?С, что позволит повысить КПД до 18-20%».

Петр Шостаковский также отмечает, что для совершенствования ТЭГ необходимо дальнейшее повышение эффективности термоэлектрических материалов, применяемых в генераторных модулях. Кроме того, чтобы повысить коэффициент преобразования энергии, необходимо усовершенствовать конструкцию термоэлектрических элементов с учётом рабочих температур, оптимизировать конструкции модуля и узлов, обеспечивающих теплопередачу от источника тепла к генераторному модулю, а также радиаторов для передачи тепла в окружающую среду. Не последнюю роль, по его мнению, играет оптимизация электронных схем преобразования вырабатываемой электрической энергии (DC/DC конвертор) и её стабилизации.

«Впрочем, стоит отметить, – добавляет П. Шостаковский, – что в целом ряде случаев эффективность ТЭГ не имеет принципиального значения. Например, при утилизации отводимого от машин и механизмов тепла или в Energy Harvesting (накопление энергии) применениях».

 

Универсальный генератор Б4М выдает напряжение 12 В и мощность от 2 Вт  при установке на вертикальные поверхности с температурой 250°С (фото ООО «Криотерм»)

 

«Эффективность известных термогенераторных модулей зависит от разности температур их холодных и горячих пластин: при увеличении (уменьшении) этой разницы вдвое, мощность вырабатываемой электроэнергии увеличивается (уменьшается) в четыре раза, и соответственно изменяется КПД модуля – говорит Владимир Сальников, к.т.н., главный конструктор ООО «Системы СТК» (г. Пермь). – Соответственно, для получения большей мощности необходимо разработать ТГМ, выдерживающий больший нагрев. Но наиболее перспективными представляются термоэлектрические модули, напрямую преобразующие тепло в электричество при нулевой разности температур. Разработки подобных модулей уже запатентованы в РФ». 

 

Нано-будущее

Александр Фролов*, гендиректор ООО «Фарадей» (г. Тула) занимается проектом по созданию силового активного материала (САМ), который помимо прочих применений может лечь в основу технологии производства принципиально новых термоэлектрических генераторов.

«Суть идеи в том, чтобы обеспечить разное давление воздуха на пластину материала, одна сторона которой имеет микрорельеф, – поясняет А. Фролов, один из авторов разработки, – Размеры микрорельефа при атмосферном давлении должны быть в пределах 50-500 нм.

 

Наноматериал. Диаметр трубки 50-100 нм, длина трубок 1000 – 3000 нм (фото ООО «Фарадей»)

 

Молекулы воздуха всегда двигаются. На длине свободного пробега траектория каждой молекулы прямолинейна. Расстояние, которое пролетает молекула от точки столкновения со второй молекулой до точки столкновения с третьей молекулой, называется «длиной свободного пробега». При обычных размерах неровностей рельефа, которые намного больше длины свободного пробега, процесс движения и столкновений является хаотическим. В такой ситуации давление среды на обе поверхности пластины одинаковое, и суммарный импульс равен нулю.

Можно использовать предсказуемое прямолинейное движение молекул на коротких участках траектории, создав активный движитель, например, пластину материала, у которой одна сторона имеет поверхность с размерами элементов рельефа менее длины свободного пробега молекулы.

 

Давление воздуха на поверхность пластины, имеющей односторонний микрорельеф, будет отличаться с разных сторон (схема А. Фролова)

 

Молекулы малы, но их достаточно много. Для отбора кинетической энергии молекул газа, необходимо обеспечить взаимодействие каждой из них с некими упругими наноэлементами. Упругие деформации наноэлементов позволят преобразовать кинетическую энергию молекул в тепловую энергию, которая будет аккумулироваться веществом пластины. Соответственно, вещество наноэлементов, как и вся пластина, должны нагреваться.

С другой стороны пластины, кинетическая энергия молекул воздуха и давление среды остается таким же, как и ранее. Возникнет не только градиент температуры, но и перепад давления среды на пластину, что и обеспечит активную движущую силу, которая будет действовать вместо традиционной термоЭДС».

Пока проект в разработке, и его практическое применение – вопрос перспективы. А сегодня…

 

ТЭГ в российской промышленности

На сегодняшний день производителей термоэлектрических генераторов в нашей стране можно пересчитать по пальцам, причем большинство из них имеют солидную историю. Компания «Экотехника» возникла на базе занимающегося энергетическим обеспечением космических полетов ОАО «НПП «Квант» (в прошлом – «Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока»). Предприятие «Криотерм» основано на базе филиала ВНИИТ, а ОАО «Корпорация НПО «РИФ» (г. Воронеж) – на базе опытного завода микроэлектроники Министерства Промышленности и связи СССР. Из более молодых участников рынка можно назвать компанию «Системы СТК».

 

Генератор ГТГ-30-12(24) (фото ООО «Экотехника»)

 

ООО «Экотехника» с 1997 года выпускает ГТГ-150 для электропитания КП-телемеханики газопроводов. На их базе совместно с заводом «Саратовгазавтоматика» создан ряд автономных источников питания (АИП) мощностью от 150 до 1500 Вт – несколько сотен таких устройств работают на газовых магистралях страны. В настоящее время «Экотехника» совместно с предприятием «Криотерм» разработала термоэлектрические батареи, позволившие повысить мощность генератора до 200Вт с сохранением всех габаритных и установочных размеров генератора ГТГ-150. Два опытных образца генератора ГТЭГ 200 успешно прошли испытания.

Компания «Криотерм» серийно выпускает продукцию, которую условно можно поделить на три категории. Это генераторы для накопления энергии (Energy Harvesting), работающие при минимальных (от 5°С) перепадах температур, при этом температура источника тепла, как правило, не превышает +100°С. Вторая категория – генераторы, работающие от тепла сгорания органических продуктов (газ, дрова, бытовые отходы и др.) с температурой на теплораспределительной пластине источника тепла до +400°С. Как правило, выходная мощность термоэлектрических модулей в таких генераторах получается до 5Вт. И, наконец, генераторы мощностью до 40Вт имеют рабочие температуры источника тепла до +550°С.

Компания «Системы СТК» выпустила ТЭГ Over Energy L/L-24/12, который при включении в водопроводную сеть с горячей и холодной водой (при разнице температур между ними 80°С) обеспечивает мощность 12 Вт при выходном напряжении 24 В. Масса генератора не более 3,3 кг.

Сегодня «Системы СТК» ведут разработку ТЭГ для бесперебойной работы автоматической системы управления котлом при отключении внешнего источника энергии; автономного источника питания системы передачи данных с участков протекторной защиты газопроводов и ТЭГ для дублирования в зимних условиях солнечных батарей системы управления нефтяных скважин. В своих изделиях компания использует покупные термоэлектрические модули (они же элементы Пельтье), отдавая предпочтение российским производителям.

Представлена в России и зарубежная продукция. К примеру, канадские ТЭГ (Global Thermoelectric), работающие на природном газе или пропане и обеспечивающие питание устройств, потребляющих от 5 Вт до 5 кВт.

И все же отечественным производителям удается удерживать прочные позиции не только на внутреннем, но и на мировом рынке. В отношении ТЭГ Россия скорее экспортер, нежели импортер. Так, «Криотерм» имеет представительства в 19 странах, среди которых Германия, США, Япония.

 

Среднетемпературный генераторный модуль серии Mars вырабатывает до 40 Ватт электрической мощности на разности температур в 350°С (фото ООО «Криотерм»)

 

Повседневная генерация

Стоит сказать, что открытие Зеебека может оказаться полезными не только конструкторам космических кораблей или нефтяникам, но и рядовым потребителям. Вспомним легендарный «партизанский котелок». Сегодняшние туристы могут приобрести подобное устройство. Пока в котелке, подвешенном над костром, кипит вода, будут подзаряжаться аккумуляторы сотового телефона, навигатора, фотоаппарата, фонарика, от такого генератора можно запитать небольшой телевизор или ноутбук и наслаждаться достижениями цивилизации в самых диких местах.

На просторах Интернета можно даже обнаружить инструкцию, объясняющую как сконструировать подобный котелок самостоятельно, используя пару металлических, входящих друг в друга посудин, нехитрый набор радиодеталей и элемент Пельтье. В редакции мы этой инструкцией так и не воспользовались, поэтому утверждать, что схема работоспособная, не беремся.

ТЭГ могут питать маломощных потребителей энергии не только в походных, но и в повседневных условиях – все больше говорят об их применении в современных мобильных электронных устройствах – телефонах, компьютерах и т.д. Поскольку речь идет о небольших мощностях, то и стоимость таких устройств – вполне приемлемая, к тому же часто в них используются недорогие материалы юго-восточных производителей.

Ну и, собственно, почему бы не поставить ТЭГ на котел, отапливающий коттедж? Тепло все равно выделяется, а термоэлектрический генератор позволит обеспечить питанием автоматику котла, фактически превратив его из энергозависимого в энергонезависимый (от внешнего питания).

 

ТЭГ модели 8550 Global Thermoelectric имеет панель сопряжения с катодной защитой (фото ООО «Глобал Сервис»)

 

Генератор в перспективе

Тем не менее, частные потребители не способны обеспечить полноценный рынок сбыта производителям, по крайней мере, на сегодняшний день. Так небольшие фирмы пыталась выпускать генерирующие электричество котелки, однако достичь прибыльности так и не смогли.

«Подобные устройства востребованы в единичных экземплярах, а для производителя это не выгодно, слишком большие накладные расходы на производство», – считает Евгений Ханин. Перспективы развития рынка эксперт связывает в первую очередь все же с промышленным применением:

«Использование новых технологий получения полупроводниковых материалов и изготовления термобатарей повысит их срок службы до 25 лет и более, – говорит он. – Конечно, это будет способствовать развитию рынка ТЭГ. Следует ждать их более широкого применения по мере освоения северных районов России (автоматические метеостанции, радиомаяки и т.д.). Могло бы расширяться и бытовое применение ТЭГ в тех районах, где отсутствует централизованное электроснабжение. Однако учитывая низкодоходность населения этих районов, без государственной поддержки это нереально. При этом нужно понимать, что термоэнергетика не может быть альтернативой традиционной «большой» энергетике».

 

Опытный образец генератора ГТЭГ 200 (Фото ООО «Экотехника»)

 

«Перспективы развития ТЭГ в РФ определяются в основном двумя факторами – огромные территории, на которых нет источников электроэнергии, а также слабое использование возможностей термоэлектрической генерации. Мало используется энергия природных тепловых источников, практически не применяются технологии для утилизации тепла промышленных предприятий и транспортных средств для выработки электроэнергии, – высказывает свою точку зрения Владимир Сальников. – Очевидно, что потребность в ТЭГ достаточно большая. Однако их массовому распространению препятствуют высокие цены отечественных производителей термоэлектрических модулей и проблемы финансирования разработок».

Петр Шостаковский считает, что производители должны сами вкладывать средства и усилия в популяризацию данной технологии, её внедрение в промышленных применениях. «Потребуется время на прохождение эксплуатационных испытаний генераторов у новых промышленных заказчиков, зато потом рынок будет развиваться значительно быстрее», – говорит он.

Остается надеяться, что нашей стране, первой создавшей и внедрившей технологию прямого получения электрической энергии из тепловой, удастся остаться в числе лидеров рынка ТЭГ. И это станет определенным шагом в освоении использования возобновляемых источников энергии.

 

Кира Патракова

* Если вас заинтересовала разработка Александра Фролова, вы можете связаться с ним по тел. (920) 794-44-48

На первой фотографии – сборка АИП-1500 в Саратове (фото ООО «Экотехника»)

 

(С) Медиапортал сообщества ТЭК www.EnergyLand.info
Копирование возможно только для платных подписчиков
Кража контента приведет к пессимизации вашего MFA-сайта

Читайте также:

РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА (ТЭГ) СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВС | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

Папкин Б.А.¹, Хрипач Н.А.², Иванов Д.А.³, Коротков В.С.⁴

¹ORCID: 0000-0002-2696-6044, Кандидат технических наук, ²ORCID: 0000-0003-3998-2630, Кандидат технических наук, доцент, ³ORCID: 0000-0002-0019-4496, ⁴ORCID: 0000-0003-2935-4489, Московский политехнический университет, г. Москва

РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА (ТЭГ) СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВС

Аннотация

В работе представлено подробное описание математического определения параметров термоэлектрического генератора  системы охлаждения ДВС с изложением расчета воздушного теплообменника оффсетного типа, состоящего из двух или трех рядов ленты с прямоугольным профилем. Данный расчет позволяет определить важные рабочие параметры термоэлектрического генератора системы охлаждения ДВС, с целью его оптимизации по тепловым, гидравлическим и аэродинамическим показателям.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, охлаждающая жидкость, тепловая энергия, термоэлектрический генератор.

Papkin B.A.¹, Khripach N. A.², Ivanov D.A.³, Korotkov V.S.⁴

¹ORCID: 0000-0002-2696-6044, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0003-3998-2630, PhD in Engineering, Associate professor, ³ORCID: 0000-0002-0019-4496, ⁴ORCID: 0000-0003-2935-4489, Moscow Polytechnic University, Moscow

COMPUTATIONAL STUDIES AND MODELING OF A THERMOELECTRIC GENERATOR (TEG) SYSTEM ENGINE COOLING

Abstract

The paper presents a detailed description of the mathematical definition of the parameters of a thermoelectric generator cooling system of the internal combustion engine outlining the calculation of offset air heat exchanger type, consisting of two or three rows of ribbons with a rectangular profile. This calculation allows you to determine important operating parameters of the thermoelectric generator cooling system of the internal combustion engine, with a view to optimizing on thermal, hydraulic and aerodynamic performance.

Keywords: internal combustion engine, coolant, thermal energy, thermoelectric generator.

Внешний тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания (ДВС) показывает [1], что значительная часть тепла, получаемого в результате сгорания питающего его топлива, отводится в атмосферу с выпускными газами и в систему охлаждения. Только 30% энергии, заключённой в топливе, идёт на полезную работу, примерно 30% уходит через систему охлаждения двигателя и до 35% — с выхлопными газами. Утилизация тепловых потерь – это большой потенциальный ресурс для повышения экономичности машин. В связи с этим, задача использования тепловой энергии, рассеиваемой ДВС, является актуальной, и в свою очередь позволит повысить энергоэффективность двигателя и снизить расход топлива.

В качестве устройства утилизации тепла, рассеиваемого системой охлаждения ДВС, применяется так называемый термоэлектрический генератор (ТЭГ) системы охлаждения ДВС, принцип действия которого основан на применении термоэлектрических генераторных модулей (ТГМ). Рассматриваемый в данном исследовании термоэлектрический генератор представляет собой симбиоз радиатора охлаждения и устройства способного вырабатывать электроэнергию преобразуя или утилизировать рассеиваемое тепло.

Для оценки эффективности ТЭГ разработан расчет, в результате которого определяются его геометрические параметры, обеспечивающие тепловую мощность ТЭГ, а также вычисляются гидравлические и аэродинамические характеристики, влияющие на характер движения теплоносителей через каналы ТЭГ.

Основные математические зависимости расчета ТЭГ системы охлаждения ДВС были представлены авторами в [2], при этом данная работа содержит более подробное описание математического определения параметров ТЭГ системы охлаждения ДВС с изложением расчета воздушного теплообменника оффсетного типа, состоящего из 2 или 3 рядов ленты с прямоугольным профилем.

В основе данных исследований лежит методика расчета теплообменных процессов между теплоносителями – охлаждающей жидкостью и воздухом. Целью расчета является определение геометрических параметров ТЭГ и расходных характеристик теплоносителей, обеспечивающих требуемую тепловую мощность ТЭГ.

При исследовании были приняты следующие допущения:

– для расчета теплообмена используются средние температуры теплоносителей;

– расход ОЖ распределяется равномерно по поперечным трубкам ТЭГ;

– тепловой поток со стороны ОЖ, движущейся в трубке, делится поровну для каждого модуля.

В самом начале расчета определяются и задаются исходные данные. Тепловая мощность разрабатываемого ТЭГ задается исходя из назначения ТЭГ и параметров базового двигателя внутреннего сгорания.

Затем задаются расходы теплоносителей через ТЭГ, которые рассчитываются исходя из усредненных требований к автомобильным радиаторам. Повышение температуры ОЖ после прохождения через радиатор должно составлять 10-15°С, а увеличение температуры воздуха равняться 20-30°С. Причем величина расходов теплоносителей должна быть сопоставима с параметрами стандартных водяного насоса и воздушного вентилятора.

При этом расходы теплоносителей могут быть скорректированы в сторону увеличения для интенсификации теплообмена на последующих этапах расчета.

Далее задаются габаритные размеры ТЭГ, которые эквивалентны размерам стандартного радиатора двигателя внутреннего сгорания и позволяют установить разрабатываемый ТЭГ на его место.

Также, с учетом рекомендаций по конструированию автомобильных трубчато-пластинчатых радиаторов, проводится первичная компоновка ТЭГ, в результате которой задается количество трубок для движения ОЖ и конфигурация пластин воздушного охлаждения, включая прочие геометрические параметры.

При этом проходные сечения каналов ТЭГ для движения теплоносителей выбираются исходя из ограничения скорости движения теплоносителей.

На данном этапе определяется конфигурация расчетной ячейки ТЭГ, для которой вычисляются данные, необходимые для расчета.

Затем выполняется проведение расчета ТЭГ, в ходе которого для заданных расходов теплоносителей и конфигурации расчетной ячейки вычисляется коэффициент теплопередачи.

В случае необходимости выполняется корректировка параметров трубок для ОЖ и пластин воздушного охлаждения и расчет проводится заново.

Для расчета ТЭГ использовался подход с выделением расчетных ячеек, которые представляют собой единичный объем радиатора, содержащий характерные элементы и размеры. Весь объем ТЭГ в соответствии с первичной компоновкой был разделен на 273 ячейки, содержащие по 2 модуля. На рисунке 1 показана схема расчетной ячейки, используемой в расчете.

Рис.1 – Схема расчетной ячейки

В традиционном ДВС только часть энергии сгорания топлива используется для совершения полезной работы, а оставшаяся часть представляет собой тепловые потери в виде тепловой мощности, отводимой через системы охлаждения Q_ож, смазки двигателя Q_м и уносимой с ОГ Q_ог, а также потери в окру­жающую среду и прочие неучтенные потери.

Для упрощения определения Q_ож при проведении расчетных исследований бензиновых ДВС с искровым зажиганием и распределенным впрыском топлива принято использовать эмпирическую зависимость:

Q_ож = q_охл·G_Т·H_u    (1),

где q_охл = 0,24…0,32 – относительный теплоотвод в систему охлаждения, значение которого зависит от режима работы двигателя;

H_u – низшая теплота сгорания топлива;

G_Т – секундный расход топлива.

Далее для расчета ТЭГ принимается значение Q_ож = 54,5 кВт, соответствующее теплоотводу в систему охлаждения при работе двигателя на режиме максимальной мощности по внешней скоростной характеристике.

В ходе предварительной компоновки ТЭГ, проведенной с учетом характеристик модуля и принципов конструирования автомобильных радиаторов системы охлаждения, была получена структура ТЭГ, имеющая габаритные размеры сердцевины 627х326х34 мм и состоящая из 546 модулей n_м.

Для расчета задается температура ОЖ t_ж1 на входе в ТЭГ, равная 96 °С, температура ОЖ t_ж1 на выходе из ТЭГ, составляющая 86 °С, и расход ОЖ через ТЭГ G_ж = 1,25 кг/с.

 

Рис. 2 – Геометрические параметры расчетной ячейки

Площадь проходного сечения F_{жпр_э} в расчетной ячейке определяется по формуле:

,

где В = 34 мм – ширина трубки.

Площадь теплопередающей поверхности трубки со стороны жидкости в расчетной ячейке определяется следующей зависимостью:

Площадь проходного сечения со стороны ОЖ:

где n_тр – число трубок.

Поскольку ТЭГ состоит из 14 горизонтальных трубок для движения ОЖ и используется 2-ходовая схема движения ОЖ, то n_тр = 14/2 = 7 шт.

Гидравлический диаметр трубок ТЭГ определяется по формуле:

где смоченный периметр трубки равен .

Перед определением режима течения ОЖ вычисляется средняя скорость движения ОЖ в трубках ТЭГ:

где ρ_ж – плотность ОЖ.

Числа Рейнольдса и Прандтля вычисляются с учетом кинематической вязкости ν_ж, удельной теплоемкости с_ж, теплопроводности λ_ж и расхода ОЖ:

 и 

Полученное значение Reж = 6720 означает, что режим течения ОЖ является переходным, т.к. 2300 < Re < 10000. Поэтому критерий Нуссельта Nu_ж и коэффициент теплоотдачи α_ж со стороны ОЖ определяется с учетом значений критерия Нуссельта для ламинарного Nu_жл и турбулентного Nu_жт течения по следующим зависимостям:

где Pr_жст число Прандтля жидкости при температуре стенки.

Для воздушного охлаждения ТЭГ применяется пластинчатый теплообменник, имеющий оффсетную конструкцию пластин.

На рисунке 3 показан оффсетный воздушный теплообменник, соответствующий одной расчетной ячейке, состоящий из 2 или 3 рядов ленты с прямоугольным профилем.

Рис. 3 – 3-рядный воздушный теплообменник ТЭГ

Аналогично с гидравлическим контуром ТЭГ задаются исходные параметры для расчета воздушного теплообменника: скорость набегающего потока воздуха v_в = 30 м/с, температура воздуха на входе в ТЭГ t_в1 = 20 °С, температура воздуха на выходе в ТЭГ t_в2 = 46 °С, t = 0,2 мм, h = 5,8 мм, количество ребер на 1 м длины f = 780 и l = B/3.

Далее для расчета теплообменных процессов использовались методические подходы, представленные в [3].

Ширина воздушного пространства s между пластинами вычисляется как , а общая высота b ребра с учетом толщины основания представляет собой сумму b = h + t.

Фронтальная воздушная площадь A_ff = (s – t)·h.

Общая фронтальная площадь A_fr = (h + t)·(s + t).

Отношение , характеризующее плотность заполнения теплообменника.

Площадь теплообменной поверхности одного ребра A_s = 2·(h·l+s·l+h·t).

Гидравлический диаметр одного канала воздушного теплообменника определяется по формуле:

Число Рейнольдса для воздуха, движущегося в канале, определяется с  учетом массового расхода :

где σ – коэффициент, характеризующий отношение площади проходного сечения к фронтальной площади воздушного теплообменника;

масса воздуха m_в, прошедшего через одну расчетную ячейку воздушного теплообменника определяется по формуле:

где ρ_в – средняя температура воздуха в ТЭГ;

A_frΣ = 627·326·10^-6  – общая фронтальная площадь сердцевины ТЭГ, выраженная в м²;

n_в – количество воздушных теплообменников ТЭГ.

Суммарная площадь поверхности теплообмена ТЭГ со стороны воздуха определяется зависимостью:

где W = 0,627 м – ширина сердцевины ТЭГ;

n_r = 28 – количество рядов воздушных теплообменников.

Для расчета теплообменных процессов используется j_с-фактор (Colburn j factor), связывающий теплоту, импульс и массоперенос, подробно рассмотренный в работе [4].

Согласно исследованиям оффсетных теплообменников j_с-фактор вычисляется по формуле:

определив который рассчитывается коэффициент теплоотдачи от теплообменника к воздуху:

Для расчета гидравлического сопротивления ТЭГ используется зависимость, полученная Вайсбахом, с помощью которой определяются потери напора Δp, вызванные местными сопротивлениями ζ при движении несжимаемой жидкости плотностью ρ со скоростью v.

Для расчета гидравлического сопротивления ТЭГ представляется в виде последовательности местных сопротивлений.

Общее гидравлическое сопротивление определяется выражением

,

которое после упрощения принимает вид:

.

Значения местных сопротивлений, которые являются справочными величинами [5], а именно расширение потока (ζ₁, ζ₄, ζ₇ = 1), сужение потока (ζ₂, ζ₅, ζ₈ = 0,5), движение в трубке прямоугольного сечения (ζ₃, ζ₆ = 0,037).

Для расчета аэродинамического сопротивления ТЭГ применяются методические подход, изложенные в работе [6]. Используя данную методику вычисляется коэффициент трения f_тр:

.

Общее аэродинамическое сопротивление воздушных теплообменников ТЭГ рассчитывается по формуле:

При расчете коэффициента теплопередачи K элементы ТЭГ представляются в виде многослойной стенки и расчет K проводится через последовательное определение пяти термических сопротивлений R_ti каждой стенки, которые записываются следующим образом:

Коэффициент теплопередачи K ТЭГ вычисляется по формуле:

.

Рассчитанное значение коэффициента теплопередачи К и заданные значения средних температур теплоносителей T_f1 = T_ж = 91 °С и T_f2 = T_в = 33 °С позволяют определить тепловой поток q_t, проходящий через расчетную ячейку:

Рассчитанное значение коэффициента теплопередачи К и заданные значения средних температур теплоносителей T_f1 = T_ж = 91 °С и T_f2 = T_в = 33 °С позволяют определить тепловой поток q_t, проходящий через расчетную ячейку:

.

После чего проводят вычисление температур стенок элементов расчетной ячейки, целью которого является определение температур на горячей Т_1-2 и холодной Т_2-3 сторонах модуля.

Значения указанных температур вычисляются по следующим формулам:

В ТЭГ используются термоэлектрические генераторные модули, имеющие электрическую мощность N₀ = 4,1 Вт при температурном перепаде Δt = 100 °С. Учитывая эти параметры электрическая мощность ТЭГ рассчитывается по формуле:

.

Описанный выше расчет показал, что разрабатываемый ТЭГ системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания позволяет отводить тепловую мощность Q_ож = 54,5 кВт. Аэродинамическое сопротивление ТЭГ при скорости набегающего потока воздуха v_в = 30 м/с составляет 622,4 Па. Электрическая мощность ТЭГ, полученная с помощью разработанного расчета, составила N_эл = 516,2 Вт. При использовании алюминия в конструкции трубок и воздушного теплообменника ТЭГ получен коэффициент теплопередачи К, равный 170,4 Вт/(м²·К). Проверка площадей теплообмена со стороны ОЖ и воздуха с учетом рассчитанных коэффициентов теплоотдачи α_ж = 3114,5 Вт/(м²·К) и α_в = 312,2 Вт/(м²·К) показала достаточность теплообменных поверхностей.

Разработанный расчет ТЭГ позволяет определить важные рабочие параметры, и оптимизировать ТЭГ по тепловым, гидравлическим и аэродинамическим показателям.

Работа проводится при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора # 14.Z56.15.3290-МК от “16” февраля 2015 года об условиях использования гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых с организациями – участниками конкурсов, имеющими трудовые отношения с молодыми учеными МК-3290.2015.8.

Литература

1. G. Bourhis, P. Leduc, Energy and Exergy Balances for Modern Diesel and Gasoline Engines, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 65 (2010), No. 1, pp. 39-46.
2. B.A. Papkin, N.A. Khripach, V.S. Korotkov, D.A. Ivanov, “Thermoelectric generator for a vehicle engine cooling system research and development”, International Journal of Applied Engineering Research, Volume 11, Number 15 (2016), pp 8557-8564.
3. Sidramappa Alur, Experimental Studies on Plate Fin Heat Exchangers. (2012). A Thesis Submitted for Award of the Degree of Doctor of Philosophy, Mechanical Engineering Department  National Institute of Technology, Rourkela.
4. Joshi, H.M. and Webb, R.L. Heat Transfer and Friction in the Offset Strip-fin Heat Exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer, (1987) 30 (1) 69-84.
5. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Москва. Машиностроение. 1992. 672 с.
6. Joshi, H.M. and Webb, R.L. Heat Transfer and Friction in the Offset Strip-fin Heat Exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer, (1987) 30 (1) 69-84.

References

1. G. Bourhis, P. Leduc, Energy and Exergy Balances for Modern Diesel and Gasoline Engines, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 65 (2010), No. 1, pp. 39-46.
2. B.A. Papkin, N.A. Khripach, V.S. Korotkov, D.A. Ivanov, “Thermoelectric generator for a vehicle engine cooling system research and development”, International Journal of Applied Engineering Research, Volume 11, Number 15 (2016), pp 8557-8564.
3. Sidramappa Alur, Experimental Studies on Plate Fin Heat Exchangers. (2012). A Thesis Submitted for Award of the Degree of Doctor of Philosophy, Mechanical Engineering Department  National Institute of Technology, Rourkela.
4. Joshi, H.M. and Webb, R.L. Heat Transfer and Friction in the Offset Strip-fin Heat Exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer, (1987) 30 (1) 69-84.
5. Idelchik, I. E. (1992) Handbook of hydraulic resistances. Moscow. Mechanical engineering, p. 672.
6. Joshi, H.M. and Webb, R.L. Heat Transfer and Friction in the Offset Strip-fin Heat Exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer, (1987) 30 (1) 69-84.

(PDF) Л.П. Булат, Е.К. Иорданишвили, А.А. Пустовалов, М.И. Федоров. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО В РОССИИ: ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Булат Л.П., Иорданишвили Е.К., Пустовалов А.А., Федоров М.И.

Термоэлектричество в России: история и современное состояние

30 Термоэлектричество №4, 2009 ISSN 1726-7692

систем, включая наноструктуры.

Проявляется заметный рост интереса к термоэлектрической генерации электроэнергии,

начиная от генераторных материалов и модулей, до ТЭГ различного назначения.

Наблюдается динамичное развитие российских фирм, работающих в области

термоэлектричества.

Подчеркнем, что Россия продолжает оставаться ведущей в мире по исследованиям,

разработкам и производству термоэлектрических материалов, модулей и устройств.

Литература

1. Шелимова Л.Е., Свечникова Т.Е., Константинов П.П., Карпинский О.Г., Авилов Е.С.,

Кретова М.А., Земсков В.С. Структура и термоэлектрические свойства слоистых

тетрадимитоподобных халькогенидов n- и p-типа проводимости // Термоэлектрики и их

применения. – XI межгосударственный семинар. – Санкт-Петербург. – 2008. – С. 71 – 76.

2. Шелимова Л.Е., Карпинский О.Г., Константинов П.П., Авилов Е.С., Кретова М.А.,

Земсков В.С. // Неорганические материалы. – Т. 40. – В. 5. – 2004. – C. 530 – 540.

3. Imai Y., Watanabe A. Electronic structures of PbBi4Te7 and GeBi4Te7 calculated by a first-

principle pseudopotential method // Intermetallics. – 2003. – V.11. – N 5. – P. 451 – 458.

4. Житинская М.К., Немов С.А., Шелимова Л.Е., Свечникова Т.Е., Константинов П.П. Анизо-

тропия термоЭДС слоистого соединения PbSb2Te4 // ФТТ. – 2008. – Т. 50. – В. 1. – C. 8 – 10.

5. Иванова Л.Д., Петрова Л.И., Гранаткина Ю.В., Свечникова Т.Е., Коржуев М.А.,

Земсков В.С. Материалы с переменной концентрацией носителей тока для

термоэлектрических охладителей // Неорганические материалы. – 2007. – Т. 43. – В. 12. – C.

1436 – 1441.

6. Булат Л.П., Драбкин И.А., Освенский В.Б., Пивоваров Г.И., Снарский А.А., Татьянин Е.В. /

Сб. «Термоэлектрики и их применения». ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. – Санкт-Петербург. –

2008. – С. 39 – 43.

7. Bulat L.P., Osvensky V.B., Pivovarov G.I., Snarskii A.A., Tatyanin E.V., Tay A.A. // Proc. 6th

European Conference on Thermoelectrics, July 2 – 4, 2008. – Paris (France). – P. I2 – 1 – I2 – 6.

8. Bulat L.P., Drabkin I.A., Pivovarov G.I., Osvensky V.B. On thermoelectric properties of

nanoscale materials // Journ. of Thermoelectricity. – 2008. – No. 4. – P. 27 – 33.

9. Булат Л.П., Бублик В.Т., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Освенский В.Б., Пивоваров Г.И.,

Пшенай-Северин Д.А., Татьянин Е.В., Табачкова Н.Ю. Объемные наноструктурные

термоэлектрики на основе теллурида висмута // Journ. of Thermoelectricity. – 2009. – No.3. –

P. 70 – 75.

10. Hicks L.D., Dresselhaus M.S. Thermoelectric Figure of Merit of a One-Dimensional Conductor //

Phys. Rev. B. – 1993 – Vol.47. – No. 24. – P. 16631 – 16634.

11. Giamarchi T. Quantum Physics in One Dimension. – Oxford University Press, 2003.

12. Vedernikov M.V., Uryupin O.N., Ivanov Yu.V. and Kumzerov Yu.A. Thermoelectric Properties

of Semiconductor Quantum Wires // Proc. 22 Int. Conf. on Thermoelectrics. – August 17 – 21. –

2003. – La Grande-Motte. – France. – P. 355 – 358.

13. Uryupin O.N., Ivanov Yu.V., Vedernikov M.V., Kumzerov Yu.A., Fokin A.V. Thermoelectric

Properties of Bi1-xSbx Alloy Nanowires // Proc. 3rd Europ. Conf. on Thermoelectrics. – Nancy

(France). – 2005. – P. 35 – 38.

14. Uryupin O.N., Vedernikov M.V., Shabaldin A.A., Ivanov Y.V., Kumzerov Y.A.,

Fokin A.V. Thermoelectric Properties of InSb Nanowires Over a Wide Temperature Range // J.

Electron. Mater. – 2008, (in press).

Термоэлектрический генератор MIPS для автономного энергообеспечения. InvestGo24

Сегодня во всем мире идет активный поиск альтернативных экологически чистых источников энергии. В связи с этим, очень актуальным становится использование термоэлектрических модулей для генерирования электроэнергии.

Специалисты, инженеры и предприниматели из области энергетики предсказывают огромный потенциал роста рынка подобных устройств в течении нескольких ближайших десятилетий.

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору.

Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды.

Инженеры нашей компании создали термоэлектрический генератор MIPS, – внешний автономный блок питания/зарядки который может превращать тепловую энергию, вырабатываемую различными источниками, в электрическую.

Наша технология позволяет использовать прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Термоэлектрический генератор MIPS (Multifuel Independent Power Supply) генерирует электроэнергию, когда тепло поступает в верхнюю часть модуля, а затем проходит через полупроводниковый материал к более холодной стороне. Движение электронов в полупроводнике обусловленной этой разностью температур создаёт напряжение.

Единичный модуль размером в 28,09 кв. см. (5.3 х 5.3) способен производить до 20 Вт энергии, при разности температур 280 °С.

А.Низкотемпературные генераторные модули (30х30 мм).

Б. Среднетемпературные генераторные модули.

Преимущества MIPS генераторов:

• статическая одноступенчатая и/или многоступенчатая системы преобразования первого рода;

• отсутствие движущихся и изнашивающихся частей;

• длительный ресурс работы без обслуживания;

• возможность использования теплоты от любых источников тепловой энергии;

• способность работы независимо от пространственного положения;

• независимость от среды (космос, вода, земля), в которой эксплуатируется термогенератор;

• экологическая чистота;

• бесшумность работы;

• малый размер и вес;

• высокая надежность – среднее время наработки на отказ не менее 70 000 часов;

• устойчивость к механическим воздействиям.

Использование низкотемпературных термогенераторных модулей (ТГМ) позволяет обеспечивать с одного ТГМ при разности температур 100 °С генерацию электрической энергии мощностью до 10 Вт при напряжении постоянного тока до 6 В.

Среднетемпературный генераторный модуль серии MIPS вырабатывает более 65 Ватт электрической мощности на разности температур в 400 градусов и предназначен для применения совместно с источником тепла, обеспечивающим температуру 500oС.

Инженеры нашей компании разработали модельный ряд многотопливных автономных источников питания для мобильной электроникики и персональных источников когенерации (тепловой и электроэнергии) для домохозяйств, малого и среднего бизнеса.

1. Решения для малого и среднего бизнеса. Микро – ТЭЦ MIPS.

Термоэлектрические генераторы MIPS используется для автономного электропитания приборов, систем кондиционирования, аккумуляторных батарей, освещения и т.д., в любых климатических зонах независимо от наличия других источников электроэнергии.

ТЭЦ MIPS представляет интерес для домохозяйств, предприятий малого и среднего бизнеса, военных, спасателей, геологов, туристов, дачников, рыбаков и охотников.

Термоэлектрические генераторы MIPSработают на всех видах топлива: твердом, жидком, газообразном, – компактны, бесшумны. Обладают малыми вредными выбросами, не имеет ограничений мощности в одном агрегате.

Потребитель получает электроэнергию, которая в 3 – 5 раза дешевле поступающей от ТЭЦ.  Массогабаритный показатель 2-2,5 кг/кВт.

Микро-ТЭЦ генерирует от 1 до 10 кВт электрической энергии и от 15 до 30 кВт тепловой энергии при общем КПД системы выше 90%.

Микро-ТЭЦ позволят потребителям значительно снизить расходы на энергию, создавая достаточное количество тепла и электричества для отопительных целей и питания всех бытовых электроприборов внутри дома.

2. Решения для мобильной электроники.

Термоэлектрический генератор MIPS, – внешний автономный блок питания/зарядки который может превращать тепловую энергию, вырабатываемую различными источниками, в электрическую.

Сегодня население нашей планеты составляет более 7 миллиардов человек. Из них более 2-х миллиардов не имеет возможности пользоваться электричеством.

В России около 20 миллионов садовых и дачных участков. Из них 25% не подключены к стационарным источникам электроэнергии.

При использовании термоэлектрических генераторов MIPS вы не только прогреете помещение, но и получите возможность готовить и подогревать пищу, заряжать аккумулятор, обеспечить интенсивную циркуляцию воздуха в помещении для быстрого обогрева.

Термоэлектрические генераторы MIPS имеют неоспоримые преимущества перед другими альтернативными источниками электроэнергии – не имеют выхлопных газов и вредных загрязнений, не создают шума и вибраций.

2.1. MIPS-10/50W, воздушное охлаждение.

Термоэлектрический генератор MIPS-10/50W предназначен для производства электроэнергии постояного тока, мощностью до 50 ватт.

Предназначен для обеспечения электропитанием различных маломощных приборов, например, светодиодной лампочки, мобилного телефона, телевизора, компьтера, навигатора и т.д.

Предназначен для установки на любую вертикальную горячую поверхность и даёт возможность получения до 50 Вт электроэнергии даже от костра или мангала.

Устройство имеет малый вес, небольшой размер, устанавливается на любой горячей поверхности.

Технические характеристики

	MIPS-10/50W ver 1	MIPS-10/50W ver 2
Выходная мощность	до 50 Вт	до 50 Вт
Выходное напряжение	13В, 12В, 5В	24В
Интерфейсы	Автомобильный адаптер, USB	24В
Выходное напряжение адаптера зарядки аккумулятора	13В	24В
Максимальная температураповерхности преобразователя	450оС	450оС
Размеры	330х220х108 мм	330х220х108 мм
Вес	7.7 кг	8.5 кг

Схема типового применения

2.2. MIPS–30/100 W, водяное охлаждение.

Термоэлектрический генератор MIPS-30/100W, – внешний автономный блок питания/зарядки который обеспечивает преобразование тепловой энергии, вырабатываемой различными источниками, в электрическую.

Предназначен для установки на любую горячую поверхность и даёт возможность получения до 70 Вт электроэнергии.

Термоэлектрический генератор MIPS–30/100W (с водяным охлаждением) состоит из нескольких термоэлектрических модулей, алюминиевой пластины и жидкостного блока охлаждения (для «холодной» стороны термоэлектрического модуля). Алюминиевая пластина обеспечивает тепловой контакт и передачу температуру от любого источника тепла к нагреваемым («горячим») сторонам термоэлектрических модулей. Термоэлекторический модуль, преобразует тепловую энергию в электрическую.

Генератор вырабатывает до 100 ватт электроэнергии, при температуре горячей стороны начиная с 270oC.

Устройство имеет малый вес, небольшие размеры, не производит шума, устанавливается на любой горячей поверхности, надежно, экологически безопасно.

Технические характеристики

Выходная мощность	до 100 Ватт
Выходное напряжение	36В, 18В, 14В, 12В, 5В.
Выходнрй ток	4 А
Максимальная температура поверхности ТГМ	до 500оС
Размеры	600х146х57 мм
Вес	4 кг

Промышленные электрогенераторы и газогенераторы

Обозначение модели:

250 – расчетная мощность, кВт
G – среда: (G = природный газ, М = метан, N = азот, S = пар, A = воздух)
400 – макс давление на входе (psig). 1 psig = 0.07 бар. 400 psig = 28 бар.
F – тип экспандера: (F = бесмасляный)
1 – соединение с генератором (01 = ремень/шкив, 02 = муфта, 03 = универсальное соединение)
S – тип генератора (I = асинхронный электрический, S = синхронный электрический)
S – другое: (М = мобильный, S = стационарный)

Спецификации детандера с винтовым компрессором сухого сжатия
Количество: 1
Макс давление на входе: 28 бар изб (400 psig)
Макс диапазон расхода: 365 нм³/мин (12,950 стандартных кубических футов в минуту)
Трубопровод на входе: Ду 125 (5 дюймов) Трубопровод на выходе: Ду200 (8 дюймов)
Уплотнение валов: механическое
Материалы:
Роторы: углеродистая сталь
Литье: углеродистая сталь
Подшипники: радиально-упорные подшипники на входной стороне; роликовые подшипники на напорной стороне, кольца, элементы качения и кожухи из легированной стали.

Установка имеет так называемые «сухие» винты, имеющие зазор менее 0.06 мм, позволяющие работать без впрыска масла. Работа винтов зависит от синхронизирующих шестерен, необходимых для поддержания сепарации.

Типичная спецификация:

Генератор будет соответствовать всем требованиям NEMA MG-1, части 16 и 22 по проектированию, исполнению и методикам заводских испытаний. Генератор и регулятор будут выполнены в соответствии с требованиями перечисленными в C.S.A. (Canadian Standards Association – Канадская ассоциация стандартов). Испытания регулятора с заводской кабельной обмоткой, проходят с генератором.

Конструкция и подшипники

Установка полностью выполнена с защитой уровня не менее NEMA MG-1-1.25.4. При необходимости может опционально установить брызгозащитный кожух для соответствия IP-22 и IP-23 на готовую установку. Другие значения являются специальными расчетными, и выдаются по запросу с завода.

В подшипниковом узле используется чугунный подшипниковый щит и рама из свариваемой стали. Подшипники, заправленные смазкой перед установкой с двумя защитными шайбами, шарикового типа, однорядный радиальный шариковый подшипник без канавки для ввода шариков, С3 с запасом для добавления и/или сменной смазки. Опционально есть возможность смазки через расширенную подачу и предохранительную выпускную трубу. Минимальный срок службы подшипников В-10 будет 40,000 часов для одноподшипниковых блоков.

Смазочный материал Polyrex EM или эквивалент.

Система возбуждения

Генератор будет оснащен поддерживающей системой возбуждения генератора на постоянном магните 300/250 Гц. Генератор на постоянном магните и вращающийся бесщёточный возбудитель монтируются снаружи подшипника. Система будет подавать ток короткого замыкания 300% от номинальной (250% для работы 50 Гц) на 10 секунд. Вращающийся возбудитель будет работать на трехфазном полнопериодном выпрямителе с герметически уплотненными силиконовыми диодами, защищенными от анормальных переходных состояний многодисковым устройством защиты от перенапряжений из селена. Диоды сконструированы для коэффициента безопасности 5 для напряжения и 3 для тока.

Система изоляции

Система изоляции распознается системой, которая отвечает требованиям конструкции UL1446 и подходит для предъявления как компонент для сертификации UL2200. Система изоляции ротора и статора из материалов класса Н Nema или выше, синтетические, не водопоглощающие. Обмотка статора имеет лаковое покрытие в несколько слоев, нанесенное погружением и запеканием, плюс поверхностное покрытие эпоксидальной смолы для особо влажных и абразивных сред.

Основной ротор

Основное вращающееся поле конструкции, состоящее из 1 шт, 4 полюсного листового пакета (многослойного материала). Детали в соединении “ласточкин хвост”, болты с перекосом и другой полюс к средствам соединения с валом неприемлемы. К тому же, опоры обмотки демпфера и катушка полюса возбуждения полностью из литья под давлением вместе с роторными пластинами для образования роторного сердечника в комплекте. Смонтированные и сварные или паяные опоры обмотки демпфера и катушки неприемлемы. Сердечник ротора усаживается и закрепляется клиньями к валу.

Вращающийся узел проходит динамическую балансировку менее чем на 2 мил размаха колебаний, будет иметь стойкость к повышенной скорости 125% от номинальной скорости на 15 минут при работе при расчетной рабочей температуре.

Обмотка статора

Обмотка статора будет 2/3 конструктивного шага для исключения третьей гармоники и будет включена в один скошенный паз для уменьшения гармоник паза. Обмотки – беспорядочная намотка, соединенные в лобовой части – это все для обеспечения наилучшей механической прочности.

Повышение температуры

Повышение температуры ротора, и статора измеряются методом сопротивления согласно соответствующему разделу NEMA MG-1, части 16 и 22, BS-5000 или C.S.A. C22.2 для типа заданного сервиса (функции).

Регулятор напряжения

Регулятор напряжения – цифровой, с микропроцессором с повышенным напряжением в твердой фазе. Ни реле повышенного напряжения, ни другие реле неприемлемы. Установка герметичная (устанавливается в капсулу) для защиты от влаги и истирания. Регулятор выполняет 1/4 % регулирования, правильное функционирование отношения вольт – герц с регулируемым входом, выход из строя обнаружения выключения неразрывности цепи, выключение перевозбуждения, трехфазное обнаружение среднеквадратичного значения, защиту от перенапряжения и оснащение для параллельного функционирования.

Исполнение

Регулировка напряжения составляет ¼% от состояния без нагрузки и 5% от вариатора частоты. Смещение регулятора будет макс ½% при изменении температуры окружающей среды на 40°C от рабочей. Регулятор напряжения статичного типа с не подвергающимися старению силиконовыми управляемыми выпрямителями, с электромагнитной защитой от помех по MIL-STD-461 C, часть 9, если установлен в распределительную коробку генератора.

Волнообразное нелинейное (гармоничное) искажение не превышает 5% от общего среднеквадратичного значения, измеренного между фазами полной номинальной нагрузки. Фактор TIF не превышает 50.

Вентиляция

Генератор самовентилирующийся с цельным непрямым внутренним вентилятором из литейного алюминиевого сплава для большого потока и обеспечения подачи воздуха с малым уровнем шума. Воздушный поток идет с противоположной стороны от одного конца привода через генератор к другому концу. Возбудитель (задающий генератор) находится в потоке воздуха.

Распределительная коробка

Распределительная коробка из толстой листовой стали, которая может выдержать вес до 110 кг вспомогательного регулирующего оборудования. Распределительная коробка состоит из двух отсеков; в одном находится вращающийся очиститель (ректификатор) и генератор на постоянных магнитах; в другом отсеке находится место присоединения и регулятор. Это для разделения вращающихся элементов от соединения с нагрузкой и настройки регулятора напряжения. Регулятор монтирован на внутренней панели распределительной коробки, чтобы разрешить доступ для настройки регулятора через колеблющуюся пылезащитную крышку с внешней стороны распределительной коробки, таким образом избегая зажимов генератора с более высоким напряжением на внутренней стороне распределительной коробки. Соединения с нагрузкой выполнены в распределительной коробке, монтированной на передней части. Конструкция генератора позволяет осуществлять подключение нагрузочного кабеля сверху, снизу или с любой стороны распределительной коробки.

Контроль исполнения

Все данные сертифицированного исполнения и испытания на нагрев, предоставленные производителем генератора, являются результатами настоящих испытаний этих же или аналогичных генераторов. Данные повышения температуры – это результат испытания на нагрев номинального коэффициента мощности при номинальном напряжении и частоте. Все эксплуатационные испытания в соответствии с MIL-STD-705 и/или IEEE стандарт -115.

Спецификации системы контроля

Общий вид

Система контроля генератора, выполненная в компактном исполнении, служит для обеспечения функциональной безопасности, надежного сбора данных и дистанционного мониторинга. Для выполнения этих требований система контроля собрана из готовых компонентов с целью обеспечения гарантии качества и легкой замены частей. Система использует типичный аналоговый и цифровой ВВОД/ВЫВОД, а также передачу данных таким образом, чтобы гарантировать гибкость, возможность расширения и модификацию в соответствии с требованиями заказчика на месте.

Эксплуатационная безопасность

Контроллер спроектирован для отслеживания характеристик поступающего и выходящего газа, а также эксплуатационных условий (среды) с целью увеличения гарантии продолжительной безопасной эксплуатации. Датчики температуры и давления, расположенные внутри и вокруг газовой системы, как и приборы обнаружения газа, предусматривают продолжительный мониторинг (контроль), усиленный с помощью аварийных сигналов, что позволяет генерирующей системе работать автоматически, без вмешательства человека. Отклонения, обнаруженные системой, обрабатываются по степени значимости: от предупреждений до контролируемых выключений, и наконец, немедленных выключений.

В дополнение к системе механического мониторинга и системе защиты контроллер обрабатывает множество электрических параметров для контролируемой и безопасной эксплуатации. В систему входит универсальный электрический реле для обеспечения мгновенного уведомления об ошибках и перебоях энергии, а электрический датчик обеспечивает резервную защиту, как и очень точное измерение. Эти системы позволяют оборудованию отслеживать менее значимые параметры, такие как ток обратной последовательности или ток нулевой последовательности, без специально обученного электротехнике и производстве энергии оператора.

Сбор данных

Контроллер поддерживает графики ряда параметров в режиме реального времени, а также энергонезависимый архив эксплуатационной статистики. Можно сделать конфигурацию графика направлений для определения долговременных направлений или небольших изменений; оба можно использовать для выявления неисправностей основных отклонений без отдельного внешнего прибора обнаружения. Эксплуатационная статистика поддерживают точные записи о ежемесячном эксплуатационном времени, обработке топлива, произведенной мощности (кВт) и переданного тепла (если оснащено). Эксплуатационная статистика является важной частью определения эксплуатационной наработки, а также служит для точных измерений, необходимых для расчетных действий.

Дистанционный контроль

Одна из главных особенностей системы – это дистанционный контроль с возможносттью управления. Система позволяет профессионально управлять и эксплуатировать систему, освободив пользователя от сложностей при использовании системы, требующей специфических знаний, далеких от используемых в обычных операциях. Даже в этом случае пользователь (заказчик) получит обучение об основной эксплуатации оборудования, а также удаленный доступ к системе контроля и прямой доступ через сенсорный экран интерфейса.

Система работает как оригинальный прибор TCP/IP и не требует шлюзов для использования соединения с интернетом. В систему могут войти одновременно несколько пользователей и следить за оборудованием с различных уровней привилегий. Далее, система предоставляет пользователю Modbus TCP/IP так, что существующая система контроля завода может получать данные о статусе эксплуатации, актуальную выходную мощность и другие важные параметры.

Спецификации системы контроля

Система контроля генератора имеет микропроцессор для компьютерного контроля и управления работой оборудования. У каждого прибора есть сенсорный экран для старта/остановки и получения базовой информации о работе оборудования. ПО на основе Windows обеспечивает полный контроль и возможности программирования. Одновременный доступ в систему нескольких пользователей возможен благодаря безопасному соединению с интернетом (если имеется). Безопасность контролируется паролем, предоставляя права на основе профиля пользователя, созданного и наделенного правами по желанию заказчика.

КИП включает в себя и замеряет следующие параметры:

Условия безопасности

Система постоянно контролирует критичные действия оборудования. Для случая, когда достигаются предварительно заданные минимальные или максимальные значения или КИП выходит из строя, имеются запрограммированные эксплуатационные параметры, которые позволяют системе контроля отобразить предупреждения или выключить оборудование. Эксплуатационные параметры, используемые для контроля, многочисленны, и ограничиваются только теми КИП, которые спроектированы в генераторе.

Данные

Система контроля собирает данные по потоку, электрической мощности, термическим условиям и значениям давления, как на входе, так и на выходе на любом желаемом интервале. Данные загружаются в сервера ежедневно для исторической ссылки (в случае если имеется соединение с интернетом). К тому же многочисленные пункты постоянно отражаются на графике последовательности выполнения для информации о работе и выключениях. Протоколы с критичными значениями компонентов составляются ежемесячно и сохраняются в системе.

Синхронизация

Любой генератор полного цикла можно запускать, синхронизировать и нагружать независимо от другой установки. Для поддержания надлежащего качества функционирования оборудования и устройств, каждая установка синхронизируется с системой энергопитания устройств перед закрытием распорки (промежуточной горизонтальной связи) выключателя и присоединения к электрической системе. Как только генерирующая установка набирает скорость синхронизации, ПО входит в режим Sync. Режим Sync означает три проверки перед закрытием выключателя. Проверки следующие:

1. Номинальная трехфазная мощность представлена на обеих сторонах выключателя.
2. Обе системы вращаются в одном направлении.
3. Обе системы синхронизируются по напряжению, частоте и фазовому углу.

Системы синхронизируются через выключатель, они закрываются примерно в течение 25 миллисекунд после получения сигнала. Спецификации можно модифицировать, пример настроек указан в таблице ниже:

Система защиты

Все модели имеют ряд механических и электрических мер безопасности. Эти меры безопасности могут запускать аварийные сигналы, отключения ПО или немедленные выключения установки автоматически. Некоторые выключения усилены аппаратным обеспечением с жестко смонтированной схемой «dead-man», которое прекращает работу системы, даже если контроль ПО становится безответным (не дающим ответа).

Электрическая защита

Общепризнанная электрическая защита обеспечивается реле Beckwith 3410A. Это реле используется и принято для распределённых источников генерирования электрической энергии большинством заводов Соединенных Штатов. Активные элементы: 27, 47, 59 и 81 o/u. Настройки для этих элементов представлены в таблице ниже.

ПО системы контроля постоянно контролирует все электрические параметры: напряжение (вольтаж), амперы, кВт, коэффициент мощности. Эти параметры контролируют значения одиночной фазы и трехфазные значения. Базовая защита ANSI элементов 27, 59, 50, 32, 47 и 81 o/u. Эти точки можно настроить как параметры, которые заводят аварийную систему перед универсальным реле.

Большое число всех систем контроля отображаются для выбора, и они все сконструированы для обеспечения контролируемого надежного доступа к установке, использующие удобный для пользователя графический интерфейс для отображения информации в режиме реального времени. Полная документация по ПО предоставляется по запросу и включается в объем поставки со всем нашим оборудованием.

Система ТЭГ 100 Вт, с водяным охлаждением с насосом и цифровым управлением

Представляем первую систему с водяным охлаждением ТЭГ по технологии Plug & Play с дополнительным солнечным входом, зарядным устройством и заявкой на получение патента для активного охлаждения. Наше запатентованное устройство Tegpro Multi TEG & Solar Battery Charger с функцией Pump Priority – это контроллер заряда с несколькими входами, который определяет приоритет мощности активной системы охлаждения на борту. Он также отображает напряжение и ток во время зарядки вашей аккумуляторной системы. С заводскими настройками блок может заряжать до 14 зарядов.4 В постоянного тока (может быть установлено на заводе в диапазоне от 12 до 28,8 В постоянного тока, пожалуйста, спросите, сообщите нам!) И принимает до 30 В постоянного тока на входе. Он увеличивает заряд, начиная с 8 В постоянного тока, а также обеспечивает защиту от обратной полярности, чтобы предотвратить обратное питание термоэлектрического генератора от батареи, когда печь не используется. Этот блок предотвратит перегрузку термоэлектрического генератора, которая может привести к остановке вращения охлаждающих вентиляторов и перегреву устройства.

Это отличная система микроэнергетики для использования в вашем доме, хижине, теплице или лагере и т. Д.для дополнительной выработки электроэнергии и распределения тепла по удаленным частям вашего здания.

Субсидируйте свою солнечную систему, облагаемую высокими налогами, в зимние месяцы.

С помощью этой системы нагрейте собственную горячую воду и направьте ее в резервуар для хранения теплых полов или плинтусов.

Сделайте автономную гидромассажную ванну с форсунками и светодиодным освещением, работающими от TEG Power.

Эта система содержит следующее:

1. Насос с энергоэффективным бесщеточным двигателем постоянного тока с микропроцессорной технологией, плавным пуском при очень низком пусковом токе, который хорошо работает с контроллером насоса Tegpro.В прочном роторе / крыльчатке с постоянным магнитом и керамическом валу используется передовая технология магнитного привода со статическим рабочим колесом, которое никогда не протекает. Долговечный бесщеточный насос, идеальный для срока службы 30 000 часов, который может поддерживать непрерывную 24-часовую работу. Автоматическая защита от перегрузки, перегрева и сухого хода.

2. Количество 2, модель DW-WC-50W, дровяная печь с водяным охлаждением, термоэлектрический генератор, который можно разместить сверху или установить на боковой стенке печи для выработки электроэнергии для зарядки аккумулятора.DW-WC-50W поставляется с кабелем и разъемами plug & play для непосредственного подключения к контроллеру заряда multi-TEG.

3. Контроллер заряда с несколькими входами с приоритетом насоса, USB-порт для зарядки, порт зарядки аккумулятора (заводская установка при 14,4 В постоянного тока), ватт-час, дисплей напряжения и тока

Научное руководство по пониманию и использованию мощности ТЭГ!

Науку (эффект Зеебека), лежащую в основе термоэлектрической генерации, часто называют феноменом. Мы думаем, что TEG, безусловно, необыкновенные и впечатляющие! Иногда они могут быть непонятными и сложными в использовании.Вот почему мы составили это краткое руководство, чтобы объяснить, как ТЭГ преобразуют тепло в энергию, из каких частей и компонентов они сделаны, и как вы можете легко использовать их для практических решений в области альтернативной энергетики. Независимо от того, находитесь ли вы вне сети, живете в удаленном районе или в холодных условиях, возможно, для вас найдется приложение, в котором ТЭГ можно было бы использовать для преобразования отработанного тепла в электричество.

Начнем с того, что ТЭГ, сокращенно от термоэлектрического генератора, представляет собой устройство, которое преобразует разницу температур в электричество.Я объясню, как именно это происходит (эффект Зеебека) позже. Но сначала давайте рассмотрим общую терминологию TEG. Знание этих терминов и их взаимосвязи поможет облегчить понимание TEG.

Термоэлектрический модуль
В основе ТЭГ находится термоэлектрический модуль (ТЕМ), который мы также называем ТЭГ-модулем (на рисунке справа показан ТЭГ-модуль от TEGpro). И внутри этого модуля TEG происходит волшебство (эффект Зеебека).

Термоэлектрический генератор
Генератор ТЭГ – это устройство, в котором в качестве основных компонентов используется один или несколько модулей ТЭГ, за которыми следует система охлаждения.Система охлаждения может быть пассивной воздушной, активной воздушной или гидравлической. Эти компоненты затем собираются в сборку, которая функционирует как единое целое, называемое термоэлектрическим генератором (здесь изображен ТЭГ-генератор Devil Watt с активным воздушным охлаждением).

Термоэлектрическая система
Делая шаг вперед, система ТЭГ включает другое оборудование в ТЭГ, такое как водяные насосы, электронику и прошивку. Это помогает расставить приоритеты по мощности и поддерживать охлаждение системы. Хорошим примером системы ТЭГ является система ТЭГ TEGpro мощностью 100 Вт с водяным охлаждением, которая будет циркулировать воду из системы водяного отопления плинтуса через ТЭГ с водяным охлаждением.

Теперь о науке.

Эффект Зеебека
Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что разница температур между двумя разными металлами приводит к разнице напряжений. Уделите несколько секунд, чтобы просмотреть изображение справа, вы увидите два разных электрических проводника, которые называются: P-типа и N-типа. Происходит то, что нагретые электроны текут к более холодным (см. Положительные / отрицательные стрелки, указывающие вниз). И когда эта пара подключается через электрическую цепь, через нее течет постоянный ток.

Эффект Зеебека в сравнении с эффектом Пельтье
Эффект Пельтье – это обратное явление. Вместо того, чтобы применять разность температур, через материалы пропускается электрический ток, в результате чего происходит нагрев или охлаждение. Наша цель состояла в том, чтобы определить их как можно проще и предоставить изображения для их представления, но если вам нужны определения из Википедии, их можно увидеть здесь.

Эффект Зеебека внутри модуля ТЭГ
Напряжения, создаваемые эффектом Зеебека, малы и зависят как от используемого материала, так и от разницы температур.Однако внутри модуля ТЭГ имеется несколько пар P-типа и N-типа, которые можно соединить последовательно для увеличения выходного напряжения или параллельно для увеличения тока. На изображении справа вы можете видеть материалы P-типа и N-типа, последовательно соединенные желтыми линиями.

Как изготавливаются модули термоэлектрических генераторов?
Конструкция силового модуля Teg состоит из пар полупроводниковых материалов p-типа и n-типа с высоким термоэлектрическим коэффициентом.Хотя можно использовать многие сплавы, теллурид висмута является наиболее распространенным материалом, используемым сегодня. Этот материал нарезан на небольшие блоки, один из которых образует провод p-типа, а другой – провод n-типа. Каждая пара образует термоэлектрическую пару (ТЭП). Эти термопары чаще всего соединяются электрически, образуя массив из нескольких термопар (термобатареи). В отличие от припоя, используемого в конструкции ТЭО, для модулей термоэлектрических генераторов часто требуются припои, температура оплавления которых превышает 400 C.

Большинство компаний-производителей модулей термоэлектрических генераторов используют множество термоэлектрических пар, которые зажаты между двумя частями из неэлектропроводных материалов. Также необходимо, чтобы этот материал был теплопроводным, чтобы обеспечить хорошую теплопередачу, обычно используются две тонкие керамические пластины, чтобы сформировать так называемый термоэлектрический модуль.

Каждый модуль может содержать десятки пар термоэлектрических пар и называться модулями термоэлектрических генераторов, модулями ТЕС и иногда модулями Пельтье или Зеебека, что просто означает, используются ли они для выработки электроэнергии (Зеебек) или для производства тепла или холода (Пельтье). .Функционально между ними нет никакой разницы. Оба они способны производить тепло и холод или вырабатывать электричество, в зависимости от того, используется ли тепло или электрический ток.

Однако существуют различия в производительности между различными модулями в зависимости от того, для чего они были изготовлены. Например, если модуль изготавливается для использования в автомобильном охладителе постоянного тока на 12 В, термоэлектрические пары будут более толстыми, как и провод, соединяющий модули с источником питания постоянного тока на 12 В.В большинстве случаев сам модуль довольно большой. Это связано с тем, что модуль будет проводить большую нагрузку по току и должен будет выдерживать нагрузку. Хотя этот тип модулей может использоваться для выработки электроэнергии, они не очень подходят для этой задачи, поскольку обладают высоким внутренним сопротивлением (снижающим мощность) и более низкотемпературным припоем, который может расплавиться при использовании в целях Зеебека. Это означает, что электрическое соединение может выйти из строя, когда к модулю будет приложено большее количество тепла, необходимое для выработки значительного количества электричества.

Если термоэлектрический модуль изготавливается для использования в термоэлектрическом генераторе, он имеет свои собственные уникальные требования. Во-первых, они должны иметь самое низкое внутреннее сопротивление и высокотемпературный припой, например, из серебра, для соединения проводов. Также необходимо использовать проволоку с покрытием из ПТФЭ или стекловолокна, чтобы выдерживать высокие температуры. Силиконовые рукава из стекловолокна можно надевать на провода, чтобы обеспечить дополнительную защиту от высоких температур.

Сколько электроэнергии можно вырабатывать?
Вы можете быть сильно удивлены! Несмотря на то, что дровяная печь не считается источником отработанного тепла, ниже приведен пример того, сколько энергии вы можете произвести.Используется 15-ваттный дьявольский ватт-генератор, построенный на термоэлектрических модулях Tegpro. Выходная мощность этого термоэлектрического генератора составляет до 15 Вт, а светильник представляет собой 10-ваттный светильник EverLed LVL2 для скрытого монтажа. Компания Tegpro разработала термоэлектрические генераторы для дровяных печей, мощность которых превышает 200 Вт при производстве термоэлектрической энергии!

Потребность в энергии термоэлектрического генератора
Электричество – необходимость. Если вам когда-либо приходилось страдать из-за длительного отключения электроэнергии, вы бы знали, каково это – потерять всю еду в холодильнике.Если вы живете в холодном климате, ваш дом был холодным, потому что в нем нет тепла, так как большинству систем отопления требуется электричество для работы. Миллионы людей оказались в таком положении, когда зимний шторм отключил электричество на больших территориях.

Солнечные панели – отличный возобновляемый источник энергии, но они производят энергию только в дневное время. Их суточная выработка значительно снижается в более короткие дни в зимние месяцы. Использование генераторов TEG в холодном климате в сочетании с солнечной батареей может обеспечить все потребности вашего дома в энергии.

Преимущества термоэлектрического генератора
Когда вы сравните стоимость солнечных и термоэлектрических генераторов, живущих в холодном северном климате (на основе количества электроэнергии, которую они фактически производят в день), вы обнаружите, что термоэлектрические генераторы TEG Power стоят намного меньше за кВт · ч. чем солнечный. Фотоэлектрический эквивалент 100 Вт мощности ТЭГ, работающей на дровяной печи, составляет 660 Вт солнечных панелей или 2,4 кВтч в день. Это означает, что при усреднении 125-ваттной термоэлектрической мощности в доме в Вермонте можно производить такое же количество электроэнергии в день, как и 1000-ваттные солнечные фотоэлектрические панели.Если сравнивать затраты, диапазон цен на 1000 ватт солнечной энергии составит до 3000 долларов в зависимости от конкретной марки. В то время как стоимость 125-ваттной термоэлектрической энергии может составлять всего 1200 долларов. В отличие от солнечных батарей, ТЭГ не зависят от солнца для выработки энергии. Если у вас есть постоянный источник тепла, например дрова или пеллеты, ТЭГ могут производить электроэнергию 24 часа в сутки. В отличие от генераторов, работающих на ископаемом топливе, у ТЭГов мало движущихся частей, кроме охлаждающих вентиляторов или насосов водяного охлаждения, и они рассчитаны на более чем 100 000 часов непрерывной работы.

Высокопроизводительный переносной термоэлектрический генератор с функциями самовосстановления, рециркуляции и Lego-подобной реконфигурации

Солнечное излучение, внешнее излучение и безызлучательный теплообмен могут влиять на характеристики переносного ТЭГ во время активного отдыха (рис. 5A, вверху). Энергетический баланс холодной стороны ТЭГ, которая подвергается воздействию окружающей среды, можно выразить как ( 38 ) Qsurf = Pnonrad + Prad − Pabs = hc (Tc − Tamb) + κBε¯emit (Tc4 − Ts4) −Psolarε¯abs

(1)

, где Q _surf – это полный тепловой поток на поверхности с холодной стороны на единицу площади, P _nonrad и P _rad – безызлучательная теплопередача и теплообмен в расчете на единицу площади. единица площади между поверхностью холодной стороны и окружающей средой, соответственно, P _abs – поглощенная мощность солнечного излучения на единицу площади, P _solar – мощность солнечного излучения на единицу площади, а ε¯emit и ε¯abs – соответственно эффективная излучательная способность и эффективная поглощающая способность поверхности.Излучательная способность и поглощательная способность могут использоваться для оценки теплового излучения поверхности с холодной стороны и поглощения ею солнечного излучения, как показано в формуле. 1. На рис. 5В показаны измеренные зависящие от длины волны коэффициенты излучения / поглощения поверхности ТЭГ (голая поверхность). Поверхность ТЭГ без покрытия имеет сильное поглощение (> 0,87) в солнечном спектре (от 0,3 до 2,5 мкм), что указывает на то, что поверхность может нагреваться солнечным излучением, что значительно ограничивает ее тепловыделение. Чтобы улучшить характеристики ТЭГ на открытом воздухе, необходимо изменить поверхность с холодной стороны так, чтобы она была избирательной по длине волны для более эффективного рассеивания тепла.Эта поверхность должна иметь две характеристики: (i) низкую поглощающую способность в солнечном спектре и (ii) высокую излучательную способность в инфракрасном диапазоне, особенно в окне пропускания атмосферы (от 8 до 13 мкм), что позволяет холодной стороне испускать инфракрасное излучение до Вселенная через атмосферу, а именно радиационное охлаждение неба ( 38 – 40 ). Поэтому в качестве покрытия на холодной стороне ТЭГ выбирается пленка из гибридного метаматериала из стеклополимера, которая может обеспечить обе характеристики (рис.5A, внизу), что дает эффективную поверхность с избирательной длиной волны. Как показано на рис. 5B, измеренная излучательная способность / поглощательная способность в зависимости от длины волны поверхности с избирательной длиной волны показывает гораздо более низкое поглощение, чем голая поверхность, в спектрах солнечного излучения (от 0,3 до 2,5 мкм) и сравнимую излучательную способность в окне пропускания атмосферы (от 8 до 2,5 мкм). 13 мкм). Детальный дизайн и изготовление метаматериала можно найти в нашей предыдущей работе ( 40 ). Чтобы количественно изучить влияние солнечного излучения и радиационного охлаждения на термоэлектрические характеристики, мы протестировали ТЭГ на открытом воздухе как с оголенной поверхностью, так и с поверхностью с избирательной длиной волны при температуре окружающей среды. холодная сторона в солнечный день с использованием лабораторной установки (рис.S15). Измеренные солнечное излучение, температура наружного воздуха и скорость ветра с 13:00 до 18:00 представлены на рис. 5C. Внезапное падение измеренной солнечной освещенности в 15:18 связано с тем, что метеостанция была затенена соседним зданием, а устройства TEG были затенены зданием в 15:45. Теплообмен на двух типах поверхностей можно рассчитать на основе измеренных данных (примечание S3 и рис. S16). Как показано на рис. 5D, ТЭГ с оголенной поверхностью на холодной стороне имеет отрицательный теплообмен между 13:00 и 15:45, поскольку поглощение солнечной энергии на оголенной поверхности больше, чем полное рассеивание тепла за счет радиационной и безызлучательной теплопередачи. .Это приводит к тому, что выходное напряжение ТЭГ с оголенной поверхностью колеблется около нуля (рис. 5E), а выработка энергии составляет всего 1 нВт / см ² (рис. 5F) до 15:45. Для ТЭГ с селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне теплообмен остается стабильным как до, так и после того, как ТЭГ был затенен зданием, как показано на рис. 5D. Это приводит к значительному улучшению характеристик ТЭГ с выходным напряжением ~ 40 мВ / см ² (рис. 5E) и выходной мощностью ~ 10 нВт / см ² (рис.5F) до 15:45 по сравнению с ТЭГ с открытой поверхностью на холодной стороне. После того, как ТЭГ-устройства были затенены зданием в 15:45, два ТЭГ с оголенной поверхностью и селективной по длине волны поверхностью на холодной стороне имеют одинаковые общие теплообменные и термоэлектрические характеристики благодаря их одинаковому высокому коэффициенту излучения в окне пропускания атмосферы и отсутствие солнечного излучения. Модули

для выработки электроэнергии – Analog Technologies, Inc.

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) для выработки электроэнергии

Термоэлектрические генераторы – это твердотельные устройства, преобразующие тепло в электричество.Также известен как генераторы Пельтье, генератор TE, генераторы Зеебека и термоэлектрический генератор.

ТЭГ

основаны на термоэлектрических эффектах, включающих взаимодействие между потоком тепла и потоком электричества через твердые тела. Чем больше разница температур, тем больше энергии вырабатывается.

Для небольших приложений термоэлектрические генераторы становятся конкурентоспособными, поскольку они компактны, просты и масштабируемы. Таким образом, этот высокоэффективный ТЭГ эффективно преобразует отходящее тепло в электрическую энергию.

Паспорт термоэлектрического генератора

TEC в сравнении с TEG

Сравнение термоэлектрического охладителя и термоэлектрического генератора

TEC – это термоэлектрический охладитель, а TEG – термоэлектрический генератор. Первый представляет собой устройство, которое генерирует термический холод и тепло, пропуская ток через ТЭО; последний также является устройством, которое генерирует потенциал электрического напряжения и, следовательно, электрический ток после добавления электрической нагрузки, создавая температурную разницу между двумя сторонами ТЭГ.Генерация теплового холода и тепла из электрического тока называется эффектом Пельтье; Создание потенциала напряжения из разницы температур называется эффектом Зеебека.

Правильное использование TEC и TEG

ТИК хрупкие. При их использовании необходимо соблюдать осторожность. Вот некоторые из рекомендаций:

1. Не роняйте их на пол и не подвергайте их другим механическим ударам. Электрошок может нанести им невидимый необратимый ущерб.Один из способов обнаружения таких повреждений является измерение сопротивления ACR, AC, КТР. Когда ACR увеличивается, это означает, что элементы Пельтье внутри TEC имеют трещины, срок службы TEC был сокращен.

2. Измерение ACR должно производиться специальными измерителями. Обычные мультиметры могут измерять только DCR, сопротивление постоянному току. Носим необходимый счетчик ACR:

Th3810D РУКОВОДСТВО НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ

3. Чтобы построить долговечную систему, TEC и TEG должны иметь низкий ACR для начала.Предварительная проверка TEC и TEG на предмет наличия низких начальных ACR имеет решающее значение при построении такой системы. Мы предоставляем такую ​​услугу клиентам. Кроме того, мы также обеспечиваем процесс приработки для TEC и TEG, чтобы доставленные вам TEC и TEG имели длительный срок службы.

Не стесняйтесь обращаться к нам по электронной почте:

Системы термоэлектрических генераторов для преобразования отходящего тепла

Термоэлектрические генераторы преобразуют отходящее тепло в электричество и, таким образом, используют энергетический ресурс, который, как правило, почти никогда не используется, если вообще используется, в процессах сжигания и в промышленных процессах.Термоэлектрический генератор состоит из теплообменников для горячей и холодной среды и расположенных между ними термоэлектрических модулей. Несмотря на относительно низкую эффективность термоэлектрических модулей, термоэлектрические генераторы обладают преимуществами по сравнению с другими технологиями производства электроэнергии. Пассивные компоненты не имеют движущихся частей, практически не требуют обслуживания и благодаря своей компактности могут быть интегрированы в существующие системы. В будущем, например, небольшие системы сжигания могут быть модернизированы до малых электростанций (нано-ТЭЦ), которые вырабатывают как электроэнергию, так и тепло.

Моделирование, материал, модуль, система: мы здесь, чтобы поддержать вас от проектирования до готовой системы

В секторе термоэлектричества Fraunhofer IPM может опираться на более чем 20-летний опыт разработки материалов и модулей, технологий измерения, методов моделирования и построения систем. Мы создаем и описываем системные решения для конкретных клиентов и проектов от прототипа до приложения. В последние годы благодаря нашим интенсивным исследованиям мы смогли значительно продвинуться в разработке высокотемпературных термоэлектрических модулей.Даже отходы высокой температуры тепла от> 600 ° C в настоящее время уже не является препятствием для использования этой технологии.

При планировании термоэлектрического генератора приложения, мы можем помочь вам с теоретическими расчетами относительно теплового потенциала конверсии отходов и, в случае необходимости, а также с метрологической характеристикой источника тепла. На стадии разработки, мы используем соответствующие инструменты моделирования, чтобы соответствовать специфически системные компоненты, такие как теплообменники и термоэлектрических модулей.В каждом случае целью является достижение максимально возможного выхода электроэнергии при последующем применении. При разработке системы, помимо имеющихся в продаже модулей, мы можем полагаться на нашу собственную линию по производству модулей. На этой линии мы можем производить небольшие партии термоэлектрических модулей самых разных размеров и конструкций. Наш обширный опыт в модульном строительстве термоэлектрических генераторов используется при экономичной эксплуатации различных источников тепла.

Стенд для испытания горячим воздухом: определение характеристик термоэлектрических генераторных систем

В дополнение к измерению термоэлектрических свойств и долговременной стабильности термоэлектрических модулей, мы также характеризуем полные системы термоэлектрических генераторов на нашем стенде для испытаний горячим воздухом в зависимости от области применения – также в качестве услуги для промышленных компаний.Наша специальная измерительная технология позволяет реалистично тестировать термоэлектрические модули, а также прототипы систем перед их установкой в ​​систему.

Мы поддерживаем промышленных заказчиков в проектировании и разработке термоэлектрических систем – от выбора термоэлектрического материала до создания готовых систем, включая силовую электронику и интеграцию в соответствующий завод. Чтобы сделать это возможным, мы опираемся на многолетний технологический опыт, налаженные контакты с поставщиками и возможности наших высокоспециализированных мастерских и лабораторий.

Термоэлектрические генераторы на газовом топливе

«Легко установить, просто использовать»

Газотопливные термоэлектрические генераторы (ГТЭГ) – это низкие затраты на владение и обслуживание, чрезвычайно надежные автономные источники электроэнергии постоянного тока, работающие на природном газе, пропане или смеси пропана и бутана.
Термоэлектричество позволяет напрямую преобразовывать тепловую энергию от сжигания газа в электрическую. Эта твердотельная технология не требует механических движущихся частей и не приводит к механическому износу.Его можно было применить в любом удаленном месте, где нет традиционных линий электропередачи переменного тока и есть газовое топливо.
Сегодня в ГТЭГ входят:
– оборудование катодной защиты газопроводов, буровых площадок, морских платформ, критических объектов нефтегазовой инфраструктуры в соответствии с требованиями стандартов NACE.
– счетчики расхода, газоанализаторы, оборудование для сбора и передачи данных для мониторинга и дистанционного управления. .

Ядром ГТЭГ является герметичный термоэлектрический модуль, содержащий массив элементов полупроводниковых среднетемпературных термоэлектрических материалов.Первоначально созданные для применения в космосе среднетемпературные термоэлектрические модули обеспечивают высочайшую надежность и эффективность в области термоэлектрических устройств.

Для удовлетворения требований наиболее распространенных применений ГТЭГ доступны несколько вариантов термоэлектрических генераторов:

Все ГТЭГ имеют корпус из нержавеющей стали и могут использоваться для питания приложений, требующих до 5000 Вт электроэнергии. ГТЭГ непрерывно работают без систем питания от батарей, однако в некоторых приложениях батареи могут применяться для покрытия пиковых электрических нагрузок или для обеспечения аварийного резервного питания.
Также КРИОТЕРМ поставляет готовые системы непрерывного действия под ключ в соответствии с требованиями заказчика.

КРИОТЕРМ – ведущий мировой поставщик удаленных систем электроснабжения на основе термоэлектрической генерации в более чем 50 стран путем прямых поставок или встраивания в OEM-продукты агрегатов GTEG.

Примеры применения ГТЭГ.

Термоэлектрические генераторы и системы охлаждения

Термоэлектрики, которые преобразуют тепло в электричество и наоборот, используя эффект Зеебека и эффект Пельтье, могут сыграть важную роль в глобальных решениях в области устойчивой энергетики.Термоэлектрики долгое время были слишком неэффективными, чтобы быть рентабельными в большинстве приложений, пока не достигли высокого КПД …

Термоэлектрики, которые преобразуют тепло в электричество и наоборот, используя эффект Зеебека и эффект Пельтье, могут сыграть важную роль в глобальных решениях в области устойчивой энергетики. Термоэлектрики долгое время были слишком неэффективными, чтобы быть рентабельными в большинстве приложений, до появления высокоэффективного наноструктурного термоэлектрического материала в середине 1990-х годов.Поскольку развитие термоэлектрических материалов, применение термоэлектричества получить больше и больше внимания, особенно в области использования отходящего тепла и температуры точного управления. Тем не менее, это все еще является сложной задачей из-за сложности коммерциализации высокой добротности термоэлектрических материалов, а также удержания повышения производительности термоэлектрических устройств и систем.

В технологии преобразования энергии обещающей, термоэлектрические устройства ограничены их производительность.В настоящее время исследование фокусируется на термоэлектрической структуре, добротность термоэлектрических материалов и системах, предназначенных для повышения производительности устройства. Рассматривая улучшенные экспериментальные методы, построение моделей и совершенствование системы для вопросов повышения эффективности термоэлектриков, мы организуем эту тему исследования, чтобы дать возможность обменяться новыми идеями и решить существующие проблемы по улучшению характеристик термоэлектриков либо на устройстве, либо на на системном уровне.

Приветствуются оригинальные исследования, перспективные материалы, системы, методы, технические отчеты и обзоры состояния разработки, протоколы, обзоры политики и практики по следующим темам:
1. Перспективные термоэлектрические материалы;
2. Технические исследования термоэлектрического генератора и охладителя;
3. Геометрическая оптимизация;
4. Оптимизация многоступенчатой ​​структуры;
5. Мультифизическое моделирование и результаты экспериментов.
6. Гибридная термоэлектрическая система;
7.Приложение с высокой эффективностью;
8. Научно-технические задачи;
9. Оценка воздействия жизненного цикла на окружающую среду.

Ключевые слова : Термоэлектрические материалы, Оптимизация термоэлектрических характеристик, Утилизация отходящего тепла, Точный контроль температуры

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись за пределами области охвата в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.