Термоэлектрический преобразователь

 

Использование: в технике преобразования световой энергии в электрическую для построения вторичных систем электропитания с гальванической развязкой сетевого питания. Сущность изобретения: термоэлектрический преобразователь содержит светораспределитель, термопроводник, термоэлектрические элементы, оптический и электрический разъемы. Термопроводник выполнен в виде шаровой оболочки с разъемом для энергопередающего световода, диаметрально противоположно которому на внутренней поверхности термопроводника установлен светораспределитель, выполненный в виде рассеивающей сферической поверхности с многослойным покрытием. Термоэлементы установлены горячими спаями на внешней поверхности термопроводника, а холодными спаями на внутренней поверхности радиатора, выполненного в виде шаровой оболочки, расположенной концентрично с термопроводником. 1 ил.

Изобретение относится к технике преобразования световой энергии в электрическую и может быть использовано для преобразования световой энергии, поступающей по энергопередающему световоду, в электрическую энергию.

Известно устройство термопреобразователя, содержащее блок термоэлементов, помещенных в герметичный корпус [1] Корпус имеет стеклянное окно, расположенное над блоком термоэлементов на некотором расстоянии, через которое солнечное излучение поступает на термоэлементы.

Однако устройство в случае подвода света энергопередающими световодами имеет низкие КПД и оптическую прочность, а также громоздко. Эти недостатки обусловлены высокой интенсивностью света, выходящего из световода, вследствие чего термопреобразователь необходимо размещать на значительном расстоянии от световода для создания необходимого уровня освещенности и предотвращения термического разрушения термоэлементов термопреобразователя. При трансформации освещенности возникают потери света, что снижает КПД преобразования света в электрический ток.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее светораспределитель, выполненный в виде сферического зеркала, в фокусе которого расположен термопроводник, связанный с батареей термоэлементов [2] Недостатками этого устройства являются низкий КПД преобразования света в электрический ток, громоздкость и невысокая оптическая прочность в том случае, если свет подводится к термопреобразователю через энергопередающий световод. Эти недостатки также обусловлены необходимостью удаления световода на значительное расстояние от светораспределителя с целью предотвращения разрушения как светораспределителя, так и термопроводника. При этом удаление световода на значительное расстояние от термопреобразователя приводит к потере света, что вызывает снижение КПД преобразования света в электрический ток.

Технический результат изобретения увеличение КПД, компактности и оптической прочности при работе с энергопередающим световодом.

Для этого в термоэлектрическом преобразователе, содержащем светораспределитель, термопроводник, термоэлектрические элементы, оптический и электрический разъемы, термопроводник выполнен в виде шаровой оболочки с разъемом для энергопередающего световода, диаметрально потивоположно которому на внутренней поверхности термопроводника установлен светораспределитель, выполненный в виде рассеивающей сферической поверхности с многослойным покрытием, при этом термоэлементы установлены горячими спаями на внешней поверхности термопроводника, а холодными спаями на внутренней поверхности радиатора, выполненного в виде шаровой оболочки, расположенной концентрично с термопроводником.

На чертеже показан преобразователь в разрезе.

Термоэлектрический преобразователь содержит рассеивающий сферический светораспределитель 1, термопроводник 2, термоэлементы 3, радиатор 4, оптические разъемы 5, электрический разъем 6 и энергопередающий световод 7.

На чертеже стрелками показан ход световых лучей.

При отсутствии света в энергопередающем световоде 7 соответственно отсутствует и энергия на выходе термопреобразователя.

При поступлении от энергопередающего световода к термопреобразователю света высокой интенсивности свет в первую очередь попадает на светораспределитель 1, рассеиваясь на котором при сохранении мощности передается термопроводнику 2. Затем оптическое излучение, интенсивность которого уже снижена, частично поглотится термопроводником 2, а частично отразится от него и попадает на другую его часть ит.д. В итоге свет равномерно осветит термопроводник, нагревая его. За счет нагрева термопроводника 2 в термоэлементах 3 происходит преобразование световой энергии в электроэнергию, которая через электрический разъем 6 передается потребителю. При этом за счет замкнутой формы термопроводника мощность оптического излучения остается неизменной, а его интенсивность за счет многократных отражений и рассеивания снизится.

В связи с тем, что потерь оптического излучения из-за замкнутой формы термопроводника при снижении интенсивности не возникает возрастает КПД устройства, одновременно с этим возрастает оптическая прочность термопреобразователя вследствие снижения интенсивности оптического излучения. Сферическая форма термопреобразователя приводит к снижению размеров устройства по сравнению с теми в которых использована плоская форма термопроводника.

При практической реализации устройства светораспределитель может быть выполнен, например, из керамики или из меди, на которую нанесен слой Ni, а затем слой Au для получения высокого значения коэффициента отражения ( ≈ 98% на λ 10,6 мкм) при слабом окислении. Такое покрытие позволяет выдерживать интенсивности ≈ 10⁴ Вт/см².

Для внутреннего диаметра термопроводника ≈ 10 см при числовой апертуре световода NA ≈ 0,2 светораспределителем будет освещена 1/2 поверхности термопроводника 2.

Для интенсивности оптического излучения на выходе энергопередающего световода ≈10⁴ Вт/см² (диаметр энергопередающего световода ≈ 1 мм, мощность оптического излучения ≈ 100 Вт, мощность электрического тока на выходе термопреобразователя ≈ 5 Вт при КПД термоэлектрических элементов ≈ 5%) уровень интенсивности света, поступающего на термопроводник 2 от светораспределителя 1, снизится примерно до 10 Вт/см². Это дает возможность изготавливать термопроводник 2 из окисленного алюминия (коэффициент отражения ≈ 50% на λ=10,6 мкм), способного длительное время работать без изменений под таким уровнем освещенности.

Для приведенных параметров термопреобразователя светораспределитель может быть выполнен из керамики.

Предлагаемая конструкция термопреобразователя по сравнению с существующими позволяет его устанавливать в затемненных объемах, например внутри различных технологических установок, на высоковольтных платформах и т.д. с доставкой световой энергии в место установки термопреобразователя по световоду. Кроме того, рабочая поверхность светораспределителя герметично закрыта от пыли, атмосферных осадков и других загрязнений. Таким образом, вероятность безотказного обеспечения электропитанием от термопреобразователя более высокая.

Формула изобретения

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий светораспределитель и батарею термоэлектрических элементов, горячие спаи которых расположены на термопроводнике, а холодные соединены с радиатором, отличающийся тем, что термопроводник выполнен в виде шаровой оболочки с разъемом для энергопередающего световода, диаметрально противоположно которому на внутренней поверхности термопроводника установлен светораспределитель, выполненный в виде рассеивающей сферической поверхности с многослойным покрытием, при этом термоэлементы установлены горячими спаями на внешней поверхности термопроводника, а холодными спаями на внутренней поверхности радиатора, выполненного в виде шаровой оболочки, расположенной концентрично термопроводнику.

РИСУНКИ

Рисунок 1