FR2646021A1

FR2646021A1 - Electrical energy generating device

Info

Publication number: FR2646021A1
Application number: FR8904946A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1989-04-14
Publication date: 1990-10-19

Abstract

The present invention relates to an electrical energy generating device utilising the Peltier effect. The purpose of the invention is to produce a very simple device providing electrical energy under voltages of a few volts from a simple heat source: the flux of hot gases emitted by a flame lamp or solar energy concentrated by reflectors. This purpose is achieved with the aid of a generating device characterised in that it comprises a conducting circuit combining in series thermoelectric couples which are fastened to a refractory and insulating flexible braiding which constitutes simultaneously the support for the circuit, its electrical insulation and the thermal insulation between the hot welds and the cold welds. This device is more especially designed for powering a radio receiver, a small refrigerating cabinet or for recharging accumulator batteries in third-world countries.

Description

Diseositif générateur d'énerXaie électrique. Electric power generator device.

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Dans les pays du tiers monde, la radio est le seul moyen d'éducation des masses populaires, or, dans les zones rurales et dans les#quar- tiers suburbains des villes, la faible électrification impose l'usage de piles électriques pour l'alimentation des récepteurs.= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
In third world countries, radio is the only means of educating the masses, yet in rural areas and # suburban areas of cities, low electrification requires the use of electric batteries for supply of receivers.

Ces piles sont chères et se conservent mal en climat chaud et humide, elles constituent le frein principal à l'écoute de la rhodia. These batteries are expensive and do not keep well in hot and humid climates, they are the main obstacle to listening to rhodia.

Par ailleurs on constate que ces populations ont généralisé l'usage des lampes à pétrole (ou b acétylène, b vapeur d'essence ou à gaz) justement n couse de la faible électrification.Furthermore, we note that these populations have generalized the use of kerosene lamps (or acetylene, gasoline or gas) precisely due to low electrification.

Enfin, le moment de la journée qui correspond à l'heure de la plus grande écoute, le soir à la tombée de la nuit, coincide avec le moment où se fait sentir le besoin d'éclairage.Finally, the time of day which corresponds to the time of greatest listening, in the evening after dark, coincides with the moment when the need for lighting is felt.

On constate que l'énergie thermique dissipée par les lampes à flamme sous forme d'un flux de gaz chauds, est très supérieure à celle qui est nécessaire à l'alimentation d'un récepteur radio à transistors.It is noted that the thermal energy dissipated by the flame lamps in the form of a flow of hot gases, is much greater than that which is necessary for the supply of a radio receiver with transistors.

Un premier objet de l'invention consiste en la réalisation d'un générateur thermoélectrique susceptible de transformer 1'énergie perdue par une lampe en énergie électrique.A first object of the invention consists in the production of a thermoelectric generator capable of transforming the energy lost by a lamp into electrical energy.

Un deuxième objet de l'invention est de réaliser ce dispositif de façc telle qu'il puisse fournir le courant électrique sous des tensions multiples de 1,5 volts et sous des intensités suffisantes pour remplacer les piles chimiques.A second object of the invention is to make this device so that it can supply electric current at voltages multiple of 1.5 volts and at sufficient currents to replace the chemical cells.

L'utilisation d'un tel dispositif ne sera donc pas limitée aux besoins du tiers monde tels que l'on vient de l'évoquer, elle trouvera également de nombreuses applications dan6 1es activités de plein air telles que le camping, les longues randonnées, les expéditions lointaines, bateaux, etc...The use of such a device will therefore not be limited to the needs of the third world as we have just mentioned, it will also find numerous applications in outdoor activities such as camping, long hikes, distant expeditions, boats, etc ...

Un troisième objet de l'invention est de réaliser ce dispositif en tenant compte du très faible pouvoir d'achat des utilisateurs du tiers monde auxquels il est destiné en priorité. On fera donc appel des matériaux très bon marché et à des techniques de fabrication permettant la très grande série.A third object of the invention is to make this device taking into account the very low purchasing power of Third World users for whom it is primarily intended. We will therefore use very cheap materials and manufacturing techniques allowing very large series.

Un quatrième objet de l'invention est de mettre au point un dispositif versatile susceptible, à partir d'un élément standard que nous appellerons "générate;r p#lyvalent", de s'adapter facilement aux diver types de lampes en usage dans les clientèles visées et aux différents usages qui se révèleraient en parallèle.A fourth object of the invention is to develop a versatile device capable, from a standard element which we will call "generate; rp # lyvalent", of easily adapting to the various types of lamps used in customers. aimed at and the different uses that would reveal themselves in parallel.

Un cinquième objet de l'invention est de mettre à profit ce générateur: polyvclent pour réaliser un générateur thermoélectrique alimenté par l'énergie solaire qui permettra, lui aussi, l'écoute de la radio sans piles au moins en milieu de journée.A fifth object of the invention is to take advantage of this generator: polyvclent to produce a thermoelectric generator powered by solar energy which will also allow listening to the radio without batteries at least in the middle of the day.

Un sixième objet de l'invention est de réaliser ce générateur solaire pour un prix aussi bas que possible, notamment le panneau capteur sera orienté une fois pour toutes Est-Ouest avec une inclinaison sur l'horizontale dans le sens Nord-Sud qui ne dépendra que de la latitude
Pour atteintrerces différents objectifs, il est essentiel de définir précisément ce qui a été désigné précédemment- comme "générateur polyvalent11. Il est essentiellement constitué d'un circuit conducteur à effet Peltier dans lequel sont associés en série des thermocouples en métaux inoxydables, bon conducteurs de l'électricité, soudables, facilement tréfilables sous forme de fils ou de rubans, ductiles et aussi bon marché que possible.Les prototypes qui vont être décrits associent des fils de Nickel Chrome et de Constantan pour le générateur sur lampe et des couples Fer-Cvivre pour le générateur solaire.A sixth object of the invention is to produce this solar generator for a price as low as possible, in particular the collector panel will be oriented once and for all East-West with an inclination on the horizontal in the North-South direction which will not depend that latitude
To achieve these different objectives, it is essential to define precisely what has been designated previously- as a "versatile generator11. It essentially consists of a Peltier effect conductive circuit in which thermocouples made of stainless metals are associated, good conductors of electricity, weldable, easily wire-drawn in the form of wires or ribbons, ductile and as inexpensive as possible. The prototypes which will be described associate wires of Nickel Chromium and Constantan for the lamp generator and iron-copper couples for the solar generator.

Pour permettre à la fois une cDnstruction simple et une grande sou plesse d'utilisation,le générateur polyvalent est constitué d'une tresse souple qui assure trois fonctions principales: elle maintient les fils métalliques CDnStituQnt le circuit Peltier en position parl- lèle en alternant les métaux, elle les isole electriquement les uns des autres même si la tresse est, par la suite, enroulée ou repliée sur elle meme comme il apparaîtra dans la suite; elle constitue une barrière thermique entre les soudures chaudes et les soudures froides
La Figure 1 représente différentes solutions non limitatives de réalisation de la tresse: par simple tissage en bande continue de quelques centimètres de large et de quelques millimètres d'épaisseur(1), par tressage en diagonale (2), par tricotage (3)... etc... à partir d'une moche souple isolante a' la fois sur le plan electrique et sur le plan thermique,se présentant sous la forme d'un fil continu (4) en fibre de verre (sodoccicique ou borosilicate!, en fibre de roche, en amiante ou en substitut de l'amiante.To allow both simple construction and great flexibility of use, the multipurpose generator consists of a flexible braid which performs three main functions: it keeps the metal wires CDnStituQnt the Peltier circuit in the spoken position by alternating the metals, it electrically insulates them from each other even if the braid is, subsequently, wound or folded over itself as will appear below; it constitutes a thermal barrier between hot welds and cold welds
Figure 1 shows different non-limiting solutions for producing the braid: by simple weaving in a continuous strip a few centimeters wide and a few millimeters thick (1), by diagonal braiding (2), by knitting (3). .. etc ... from a flexible insulating moss both electrically and thermally, in the form of a continuous wire (4) made of fiberglass (sodoccic or borosilicate! , rock fiber, asbestos or asbestos substitute.

Au fur et (. mettre de sa réalisation, la tresse reçoit latéralement et alternativement, les fils de NiCr (s) et de Constantan (6) coupés à la bonne longueur. As and when it is made, the braid receives laterally and alternately, the wires of NiCr (s) and Constantan (6) cut to the correct length.

Les soudures des fils sont alors réalisées en associant d'un c8té les fils NiCr-Constantan (7# et de l'autre, les fils Constantan-#iCr (8'. On conçoit qu'une fois ces soudures réalisées, le circuit electrique est entièrement incorporé b la tresse. C'est cet ensemble d'une tresse souple et d'un circuit Peltier associés en longueur indéfinie qui constitue le "générateur polyvalent" (9). The soldering of the wires is then carried out by combining on one side the NiCr-Constantan wires (7 # and on the other, the Constantan # iCr wires (8 '). It is conceivable that once these welds have been made, the electrical circuit is fully incorporated in the braid. It is this set of a flexible braid and a Peltier circuit associated in indefinite length which constitutes the "versatile generator" (9).

La figure 2 représente plusieurs variantes qui pourront tre utilisée sans sortir du présent texte: par exemple, les fils pourront être disposés en sandwich entre deux tresses souples préfabriquées (10)
Ces deux tresses seront alors cousues ou collées l'une contre l'autre et les soudures réalisées comme précédemment.FIG. 2 represents several variants which can be used without departing from the present text: for example, the wires can be sandwiched between two prefabricated flexible braids (10)
These two braids will then be sewn or glued one against the other and the welds made as above.

Il sera également possible de partir d'une seule tresse préfabriquée (115 les fils étant disposés contre les deux faces de cette tresse; les soudures des paires de fils assureront la liaison entre la tresse et le circuit Peltier. Ce procédé sera particulièrement indiqué si le générateur polyvalent n'a pas ò tre enroulé ou replié sur luimime. Une telle disposition sera cependant possible Si l'on prend la précaution d'interposer un ruban isolant sur ou moins une des faces du générateur polyvalent (12). It will also be possible to start from a single prefabricated braid (115 the wires being placed against the two faces of this braid; the soldering of the pairs of wires will ensure the connection between the braid and the Peltier circuit. This process will be particularly indicated if the multipurpose generator does not have to be rolled up or folded over the limit, however such an arrangement will be possible If care is taken to interpose an insulating tape on at least one of the faces of the multipurpose generator (12).

Il sera également possible d'insérer dans l'épaisseur de la tresse une seule catégorie de fils et de placer l'autre sur une face de cette même tresse...It will also be possible to insert into the thickness of the braid only one category of threads and to place the other on one face of this same braid ...

La figure 3 représente le générateur adapté à une lampe à gaz. Il est constitué d'un plateau circulaire (14) réalisé par l'enroulement en spirale d'une l~nguevr de tconvertisseur polyvalent" comportant les soudures chaudes (155 sur sa face inférieure et les soudures froides (165 sur sa face supérieure. La disposition en spirale est assurée par collage. Un bouclier thermique (17) de forme cisculaire éloigne des soudures froides l'air qui est réchauffé au contact de la verrine et dilue les gaz chauds de combustion; il sert également de support au trépied qui maintient l'ensemble centré sur la verrine (18).FIG. 3 represents the generator adapted to a gas lamp. It consists of a circular plate (14) produced by the spiral winding of a l ~ nguevr of multi-purpose converter "comprising the hot welds (155 on its underside and the cold welds (165 on its upper face. spiral arrangement is ensured by gluing A thermal shield (17) of ciscular form keeps cold air away from the air which is heated in contact with the glass and dilutes the hot combustion gases; it also serves as a support for the tripod which maintains the '' centered on the glass (18).

Le circuit électrique est constitué de fils d'un diamètre adapté ò la résistance electrique que l'on veut obtenir; on pourra avantageusement utiliser des fils de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres; le nombre de soudures sera choisi en fonction de la tension que l'on veut obtenir et des tempérotures de régime des soudures chaudes et froides, lesquelles dépende#nt de la puissance de la lampe et de la disposition du plateau circulaire (14) par rapport qu flux de gaz chauds. The electrical circuit is made up of wires with a diameter adapted to the electrical resistance that one wishes to obtain; advantageously, wires from a few tenths of a millimeter to a few millimeters can be used; the number of welds will be chosen as a function of the voltage that is to be obtained and of the operating temperatures of the hot and cold welds, which depend on the power of the lamp and the arrangement of the circular plate (14) with respect to qu hot gas flow.

Pour les tensions en cause, le nombre de couples thermoélectriques pourra varier entre 50 et 500 ou plus; pour une tension équivalente à celle de trois piles en série, on pourra avantageusement fixer ce nombre entre 150 et 350 pour un diamètre de fils de l'ordre de 0,5 millimètres.For the voltages in question, the number of thermoelectric couples may vary between 50 and 500 or more; for a voltage equivalent to that of three batteries in series, this number can advantageously be fixed between 150 and 350 for a wire diameter of the order of 0.5 millimeters.

Les fijs de connexion (19) sont amenés jusqu'au récepteur a transistor (20) dans lequel les piles ont été remplacées par des piles factices (21); le jeu entre deux de ces piles est assuré par le ressort du compartiment des piles, il permet d'insérer entre elles la pièce de contact (22): un sandwich comportant deux plaques de cuivre séparées par une plaque isolante, chaque plaque de cuivre est reliéeà l'un des fils de connexion venant du générateur thermique. Le récepteur peut donc etre utilisé alternativement et indifféremment avec des piles ordinaires et à l'aide du thermogénérateur.The connection wires (19) are brought to the transistor receiver (20) in which the batteries have been replaced by dummy batteries (21); the play between two of these batteries is ensured by the spring of the battery compartment, it allows the contact piece (22) to be inserted between them: a sandwich comprising two copper plates separated by an insulating plate, each copper plate is connected to one of the connection wires coming from the thermal generator. The receiver can therefore be used alternately and indifferently with ordinary batteries and using the thermogenerator.

Dans la configuration qui vient d'etre décrite, le générateur délivre 4.5 volts au débit de gaz minimum de la lampe.In the configuration which has just been described, the generator delivers 4.5 volts at the minimum gas flow rate from the lamp.

La figure 4 représente le dispositif adapté à une lampe à pétrole: le générateur polyvalent est, dans un premier temps, replié en accor- - déon (23) puis ensuite disposé en cylindre (24). L'ensemble constitue un manchon creux (255 dont le diamètre intérieur est du mere ordre de grandeur que le dicnetre de sortie de la verrine; les soudures chaudes (26': sont à l'intérieur de ce manchon au contact du flux de gaz chauds, les soudures froides sont à l'extérieur (27) simplement refroidies par l'air atmosphérique naturel. Un bouclier thermique (28) assure à la fois le sertissage de l'ensemble, la dilution des filests d'air réchauffé par la verrine et le support du trépied de contact avec celle-ci.Le manchon creux ne s'opposant pas au passage des gaz chauds on évite ainsi le risque de surchauffe de la réserve de pétrole contenu dans le réservoir de la lampe.FIG. 4 represents the device adapted to an oil lamp: the multipurpose generator is, first of all, folded in accordion (23) then then placed in a cylinder (24). The assembly constitutes a hollow sleeve (255 whose internal diameter is about the same order of magnitude as the outlet diameter of the verrine; the hot welds (26 ': are inside this sleeve in contact with the flow of hot gases). , the cold welds are outside (27) simply cooled by natural atmospheric air. A heat shield (28) ensures both the crimping of the assembly, the dilution of the filests of air heated by the glass and the tripod support contact with it. The hollow sleeve does not oppose the passage of hot gases thus avoiding the risk of overheating of the oil reserve contained in the lamp tank.

La figure 5 représente une réalisation d'un modèle de générateur solaire à partir du générateur polyvalent défini plus haut.FIG. 5 represents an embodiment of a model of solar generator from the general-purpose generator defined above.

Le concentrateur est un réflecteur en forme de canal (29) à section parabolique, circulaire ou intermédiaire; la région focale reçoit le ou les oénérateurs pDlyvalents (305. The concentrator is a channel-shaped reflector (29) with a parabolic, circular or intermediate section; the focal region receives the pDlyvalent enumerator (s) (305.

L'axe du canal concentrateur est orienté Nord-Sucl avec une inclinaison sur l'horizontale qui dépend de la latitude du lieu. Il est fixé dans cette position pour résister au vent; il n'y o pas de poursuite du soleil dans son mouvement apparent autour de la terre. The axis of the concentrator channel is oriented North-Sucl with an inclination on the horizontal which depends on the latitude of the place. It is fixed in this position to resist the wind; there is no pursuit of the sun in its apparent movement around the earth.

Suivant les heures de la journée, la zone de concentration des rayons solaires se déplace; elle sera dans l'axe du concentrateur ò midi heure locale solaire, elle sera décalée à l'Ouest de cette ligne pendant la matinée et a l'Est pendant l'après-midi (dons l'hémisphère Nord). Depending on the time of day, the area of concentration of the sun's rays moves; it will be in line with the concentrator at midday local solar time, it will be shifted to the west of this line during the morning and to the east during the afternoon (in the northern hemisphere).

Pour obtenir du courant du lever au coucher du soleil, on alignera le long de la ligne focale, plusieurs générateurs polyvalents, cependont les tresses seront plus larges et plus épaisses afin de mieux isoler les conducteurs et de séparer plus largement les soudures froides des soudures chaudes. Il pourra entre avantageux d'utiliser ou liei du couple NiCraConstanton, le couple Fer-Cuivre ou tout autre couple bon marché, quitte ò multiplier le nombre de soudures en jeu.To obtain current from sunrise to sunset, we will align along the focal line, several multipurpose generators, however the braids will be wider and thicker in order to better insulate the conductors and to more widely separate the cold solders from the hot solders . It may between advantageous to use or linked to the NiCraConstanton couple, the Iron-Copper couple or any other inexpensive couple, even if it means multiplying the number of solders in play.

La bande centrale (31) constituant le générateur polyvalent principal (celui qui sera en service pendant le milieu de la journée) sera disposéedans l'axe du réflecteur concentrateur et sur toute sa longueur. Il se présentera avec des ondulations dans le plan horizontal sur une largeur de quelques centimètres soit environ le dixième de l'ouverture du annal réflecteur. Dans ces conditions, le générateur central recevra le soleil pendant les deux heures encadrant midi.The central strip (31) constituting the main multipurpose generator (the one that will be in service during the middle of the day) will be arranged in the axis of the concentrator reflector and over its entire length. It will appear with undulations in the horizontal plane over a width of a few centimeters, or about one tenth of the opening of the reflecting annal. Under these conditions, the central generator will receive the sun during the two hours surrounding noon.

Un ou plusieurs générateurs seront disposés parallèlenent à ce géné roteur principal, ils recevront le soleil reflèté par le concentrateur avant et après le générateur principal.(32).One or more generators will be arranged parallel to this main rotator, they will receive the sun reflected by the concentrator before and after the main generator. (32).

La longueur du dispositif et donc le nombre de soudures dépendra de la tension que l'on désire obtenir et de la anture des métaux choisis.The length of the device and therefore the number of welds will depend on the tension which one wishes to obtain and the anture of the chosen metals.

Dans les cas les plus courants d'utilisation, quelques centoines de soudures seront nécessaires (de 100 à plusieurs milliers) l'intensité désirée sera obtenue en adaptant le diamètre des conducteurs et leur longueur; le canal concentrateur mesurera généralement 0,5 a quelques mètres de longueur.In the most common cases of use, a few hundred welds will be necessary (from 100 to several thousand) the desired intensity will be obtained by adapting the diameter of the conductors and their length; the concentrator channel will generally measure 0.5 to a few meters in length.

Les différentes bandes génératrices seront reliées à leurs deux extré mités à une meme armature conductrice (33) elle mOrne relièe aux fils de connexicn avec le récepteur (34). On comprend que, sons autre précaution, la bande ondulée la plus chaude débitera dans les bandes voisines; pour l'éviter, choque bande sera équipée d'un interrupteur thermique (35) qui sera règlé de manière à se trouver en position fermée seulement sur la bande la plus chaude.The different generator strips will be connected at their two ends to the same conductive armature (33) it will connect to the connection wires with the receiver (34). It is understood that, as a further precaution, the hottest corrugated band will flow into the neighboring bands; to avoid this, each strip will be equipped with a thermal switch (35) which will be adjusted so as to be in the closed position only on the hottest strip.

L'ensemble du dispositif est protégé des intempéries par un vitrage incline. The entire device is protected from the weather by inclined glazing.

Il sera possible d'associer en série, en parallèle ou en serie-paral- lèle, plusieurs générateurs du type qui vient entre décrit par exempl pour alimenter des batteries d'accumulateurs, des balises, des emetteurs, des armoires réfrigérantes à thermocouples ou tout autre type de récepteur.It will be possible to associate in series, in parallel or in series-parallel, several generators of the type which comes between described for example to supply accumulator batteries, beacons, transmitters, thermocouple refrigerating cabinets or all other type of receiver.

Notons que le générateur polyvalent pourra également être adapté à la réalisation d'armoires frigorifiques b thermovouples, par exemple pour fc conservation des vaccins. Note that the multi-purpose generator can also be adapted to the production of thermovouple b refrigeration cabinets, for example for storage of vaccines.

Claims

1- Electric power generating device using the effect

Peltier by the series association of thermocouples along a flexible braid (9) which provides both the support for the electrical circuit, its electrical insulation and the thermal insulation between the hot solders (75 and the cold solders (8 ); the assembly allowing a highly mechanized manufacturing and allowing the construction of a large number of generators of different types.

2- electrical energy generator device according to claim 1 characterized in that the conductive circuit is made of non-oxidizable, souEobles, ductile materials, generating maximum voltages for given temperatures, resistivity as low as possible even at high temperature and low low prices.

3- An electrical energy generating device according to claims 1 and 2 characterized in that it uses either the Nickel Chromium-Constantan couple, or the Iron-Copper couple.

4- An electrical energy generating device according to claim1 characterized in that the flexible braid (9) can constitute a circular plate (145 obtained by spirally winding said flexible braid which will be held either by gluing or by sewing or by crimped s- wise; the assembly can be placed on the other side of the opening of the gas lamp verrine; the length of the braid will be chosen to correspond to the quantity of hot welds required (15) in direct contact with the burnt gases emitted by the lamp and the same number of cold welds (16) located above the plate and simply cooled by natural convection in the atmosphere.

5- electrical energy generator device according to claim 1 characterized in that it can constitute, by folding in accordion and then by winding, a hollow sheath (25) which can be deposited on the upper outlet of the bulb of a lamp petroleum, acetylene, gasoline or gas fired; its internal diameter will be of the same order of magnitude as that of the verrine.

The hot welds (265 will slightly protrude from the interior surface of the sheath and will either be in direct contact with the flow of hot gases produced by the lamp.

6- Electric power generator device according to claims 1,4 and 5 characterized in that it comprises a connector (225 which allows it to power a radio sound receiver introduce modificatic

The connection wires of the generator (19) lead to a connector consisting of a sandwich comprising two metal plates separated by an insulating pad, each of the insulating plates is connected to one of the connection wires coming from the generator; this connector is inserted between two batteries (21) of the receiver, either used batteries which have remained in place, or dummy batteries having the shape and dimensions of normal batteries; in each of these would have piles, a contact is star between the bottom piece and the head capsule, it same conductive; the insertion of the connector is made possible by the existence of a spring in the battery receptacle of all receivers.

7- Device generating electrical energy which uses the braid sj one of claim 1 characterized in that it is supplied by solar energy to a concentrator (29) in the form of a reflecting channel: this channel is oriented North -South and is not provided with a device for tracking the sun in its apparent movement by ranoDrt to the ground.

The focal zone (30 'compares one or more flexible braids defined above: they are arranged in undulations in the horizontal plane so as to receive the concentrated rays for a certain time without the concentrator following the movement of the sun.

All the generating bands are electrically connected by their two ends to common armatures (33) from which the connection iws (348 to the receiver start; in order to prevent the hottest band from delivering the coldest bands, they are all equipped in their center with a thermal switch (35) which closes the circuit only on the hottest strip.