CC BY
54
^ИННОВАЦИОННЫЕ КОМПАНИИ. ИСТОРИИ УСПЕХА
ЕЭ
Санкт-Петербург http://www.kryotherm.ru/ru/
Инновационная деятельность компании «Криотерм»
в области разработки и производства термоэлектрических приборов и устройств
Благодаря программе «Темп» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках выполненной НИОКР компания КРИОТЕРМ освоила серийный выпуск электрогенерирующих устройств на основе термоэлектрических генераторных модулей нового поколения, позволивших открыть новые горизонты применения термоэлектрического преобразования энергии теплового потока в электричество.
П. Г. Шостаковский,
коммерческий директор, компания «КРИОТЕРМ», [email protected]
Компания КРИОТЕРМ была основана в 1992 г. на базе филиала «Всесоюзного Научно-исследовательского Института Источников Тока», специализировавшегося на разработке и выпуске небольших партий термоэлектрических систем для нужд военной и аэрокосмической отраслей. Основным направлением деятельности ученых было создание источников электрической энергии на основе термоэлектрического эффекта для обеспечения работоспособности космических аппаратов. В качестве источника энергии применялось ионизирующее излучение изотопов с длительным периодом полураспада. Большой опыт разработки и производства высоконадежных и высокоэффективных термоэлектрических систем послужил отличной базой для создания и развития компании.
В течение последних лет, благодаря высокому научному потенциалу, высокопроизводительному современному оборудованию и системе управления предприятием, компания завое-
вала лидирующие позиции на мировом рынке разработчиков и производителей термоэлектрических модулей.
Сегодня «КРИОТЕРМ» является крупнейшим в России и одним из ведущих мировых разработчиков и производителей высококачественных термоэлектрических модулей и систем на их основе. Отличительной особенностью компании является наличие полного цикла разработки и изготовления термоэлектрической продукции с собственным производством полупроводникового вещества для ТЭМ, высокотехнологичным оборудованием сборочного производства и специализированным испытательным оборудованием.
Компания имеет в своей номенклатуре более 250 типов продукции с различной степенью технологической завершенности (от высокоэффективного полупроводникового вещества и термоэлектрических элементов до термоэлектрических модулей, сборок и устройств на их основе). Это обеспечивает высокую устойчивость
ИННОВАЦИОННЫЕ КОМПАНИИ. ИСТОРИИ УСПЕХА^
позиций компании на рынке термоэлектрических устройств, позволяет обеспечивать заказчиков как универсальными, так и специализированными решениями.
Система менеджмента качества компании соответствует стандартам ИСО 9001-2008.
Альтернативные источники электрической энергии компании «Криотерм»
Разнообразие областей приборов, требующих альтернативное электрическое питание, растет с появлением новых технологий и новых направлений их применения. Все приборы и устройства требуют надежных источников питания, причем год от года потребляемая мощность для аналогичных приборов снижается, а требования к надежности возрастают. Прокладка кабеля питания по своей стоимости является существенным ограничением, а в некоторых случаях подвести кабель питания не представляется технически возможным. Применение термоэлектрического преобразования теплового потока в электрическую энергию для многих случаев становится незаменимым.
К неоспоримым достоинствам термоэлектрического прямого преобразования тепловой энергии в электрическую следует отнести отсутствие промежуточного звена, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Также термоэлектрические генераторы (ТЭГ) обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность. Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих, приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях — это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и/или газов под высоким давлением. (Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе.)
I Рисунок 1. Распределение температур поверхностей промышленных агрегатов.
Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации. ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90% сбрасываемой (отводимой) тепловой энергии от различных устройств и механизмов происходит при температуре поверхностей до +300 °С (Рис. 1). Данная температура является приемлемой для построения термоэлектрической системы. Тепловой поток с такой температурой не может быть преобразован в электрическую энергию иными способами.
Сферы применений ТЭГ крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем до бытовых генераторных устройств, например в составе дровяной топочно-варочной печи, камина и котла.
Приведем несколько примеров практического применения ТЭГ:
• использование отводимого от двигателей (автомобильных, корабельных и др.) тепла;
• автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;
• источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов;
• автономное обеспечение энергией электронных блоков и насосов во-
дяных котлов и мусоросжигательных установок;
преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;
обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи; обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии (Energy Harvesting), собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10 °C); получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре.
I Рисунок 2. Схематическое представление термоэлектрического эффекта на примере термопары из элементов п- и р-типа.
Напряжение термо-ЭДС Етэдс прямо пропорционально коэффициенту Зеебека а и разнице температур АТ между горячей ТЬ и холодной Тс сторонами (спаями) термоэлектрической пары (рис. 2).
Представленная конструкция термопары состоит из разнородных полупроводниковых термоэлементов п- и р-типа, соединенных между собой на одной стороне, другие два свободных конца подключаются к нагрузке Ян. Если температура места контакта отлична от температуры свободных концов, то по такой цепи пойдет ток, а на нагрузке будет выделяться полезная мощность. Величину термо-ЭДС можно определить по формуле:
I Рисунок 3. Чертёж термоэлектрического генераторного модуля.
Етэдс=а • АТ
(1.1)
Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею или термоэлектрический модуль, графическое изображение которого представлено на рис. 3 и рис. 4.
I Таблица 1
I Рисунок 4. Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе.
Бытовой прибор Дополнительные возможности
1. Печи для отапливания помещения • освещение помещения безопасным напряжением 12 В; • зарядка аккумуляторов бытовых приборов; • обеспечение ускоренной циркуляции воздуха за счёт применения вентиляторов; • питание ЖК телевизора и другой радиоаппаратуры; • зарядка аккумулятора для использования энергии после окончания протопки.
2. Камины • независимое питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха по дому; • питание автономной подсветки.
3. Печи для саун • питание вентиляторов для циркуляции горячего воздуха; • питание освещения и маломощных приборов безопасным напряжением 12 В; • зарядка аккумулятора для питания устройств после протопки.
4. Мангалы, жаровни, барбекю • питание подсветки; • питание системы регулирования температуры жарки; • питание моторчика вращения шампура.
5. Душевые кабины • питание автономной подсветки; • питание встроенного радиоприёмника.
6. Отопительные котлы • питание циркуляционного насоса; • питание маломощных бытовых устройств.
7. Солнечные концентраторы тепловой энергии • получение электрической энергии для питания систем телеметрии, автоматики, циркуляции теплоносителя и др.
Создание высокоэффективных термоэлектрических генераторных модулей компанией КРИОТЕРМ позволило расширить рынки их применения, в том числе и бытового применения.
В таблице № 1 приведён ряд современных бытовых применений ТЭГ.
Выходная мощность генераторов определяется типом и числом термоэлектрических модулей, входящих в состав генератора, а также конструкцией радиаторов.
Линейка выпускаемых компанией «КРИОТЕРМ» ТЭГ промышленного назначения обеспечивает возможность получения электрической мощности от 2 до 200 Вт от одного генератора. При выполнении условий согласования можно суммировать вырабатываемую мощность от нескольких генераторов.
Практические результаты выполнения программы «Темп»
Основой одного из наиболее популярных генераторов компании ТЭГ В25-12 послужили термоэлектрические модули нового поколения, разработанные и освоенные в производстве в рамках программы «Темп». Он вырабатывает 25 Вт электрической мощности при обеспечении температуры на нагреваемой поверхности от 300 до 400 °С. Генератор надёжен и неприхотлив в эксплуатации.
Термоэлектрический генератор В25-12 предназначен для получения электрической энергии от дровяной печки, имеет выходную мощ-
ИННОВАЦИОННЫЕ КОМПАНИИ. ИСТОРИИ УСПЕХА^
ность 25 Вт и выходное напряжение 12 В постоянного тока. Он предназначен для зарядки аккумуляторного блока электрической энергией, получаемой от любой нагретой поверхности размером 200 х 250 мм дровяной печки. Допускается установка ТЭГ В25-12 так, что бы рабочая поверхность ТЭГ В25-12 выходила непосредственно в топку дровяной печки через прямоугольное отверстие размерами 180 х 180 мм в металлической стенке печки.
Генератор обеспечивает непрерывную круглосуточную работу без постоянного наблюдения за его работой. Имеет степень защиты от прикосновения к токоведущим частям, попадания твердых посторонних тел и жидкости — 1Р31 по ГОСТ 14254-96. Основные технические характеристики ТЭГ В25-12 приведены в таблице 2.
Общий вид ТЭГ В25-12 показан на рис. 5 и 6.
Человек научился добывать огонь и обеспечил себя теплом и горячей пищей. А установив на ЭНЕРГОПЕЧЬ термоэлектрический генератор, компания КРИОТЕРМ добавила к этому получение электроэнергии.
Инновационные разработки, применённые при создании термоэлектрического генераторного модуля,
I Таблица 2 Основные технические характеристики ТЭГ В25-12
I Рисунок 5. 1 — нижний кожух; 2 — верхний кожух; 3 — крепежная шпилька; 4 — вентилятор; 5 — радиатор; 6-решетка радиатора; 7 — выходной разъем; 8 — выходной кабель.
Наименование параметра Значение
Длина, мм 252
Ширина, мм 252
Высота, мм 160
Вес, кг, не более 6.5
Выходное напряжение, В 12
Выходная мощность, Вт, не менее 25
Режим работы стационарный
Температура установочной поверхности,°С,не более 400
ставшего основой генератора В25-12, позволили сделать его базовым для продуктовой линейки топочно-вароч-ных печей под общим наименованием «ЭНЕРГОПЕЧЬ» с выходной мощностью от 25 до 50 Вт, предназначенных для различных условий эксплуатации. Изделия из ряда «ЭНЕРГОПЕЧЬ» предназначены для экономичного воздушного отопления жилых и производственных помещений, гаражей, подвалов, а также для разогрева и приготовления пищи и выработки электрической энергии. Теперь, даже
I Рисунок 6. Внешний вид генератора В25-12 М.
находясь вдали от электросетей, с помощью такой печи можно обеспечить освещение, зарядить автомобильный аккумулятор, ноутбук, навигатор, мобильный телефон или рацию, подключить портативный телевизор. Военные, спасатели, геологи, туристы, дачники, рыбаки и охотники — все, кому приходится бывать в самых глухих необжитых местах — смогут обеспечить себе более комфортное существование.
Применяемое топливо — дрова, торфобрикеты, пеллеты. Печи снабжаются устройствами стабилизации напряжения. В случае применения аккумулятора дают возможность накапливать электрическую энергию. После зарядки аккумулятора, при наличии соответствующего преобразователя напряжения, к нему можно подключать более мощные бытовые устройства по сравнению с вырабатываемой мощностью. Конечно, время работы таких устройств будет определяться ёмкостью аккумуляторной батареи и степенью её заряда. Чем дольше топится печь, тем больше электрической энергии может быть накоплено в аккумуляторной батарее. Электрогенератор печи выходит на стабильный режим через 10-20 минут после зажигания топлива в печи. Электроприборы подключаются через разъем автомобильного прикуривателя, который находится на блоке стабилизации напряжения.
Энергопечь «Вега-25»
Отличительной особенностью данной печи является её относительно небольшая масса — 22 кг, что позволяет перевозить её с места на место. Печь особенно востребована охотниками, рыболовами и строителями. Печь может быть установлена не только в жилом помещении, но и в палатке и просто под навесом. Основные параметры печи приведены в табл. 3, а внешний вид на рис. 7.
Энергопечь «Арктур»
Отличительной особенностью данной печи является то, что она позволяет отапливать помещение с объёмом до 150 м. куб. (тепловая мощность
