Устройство термоэлектрического генератора принцип работы - NEVINKA-INFO.RU

Устройство термоэлектрического генератора принцип работы

Термоэлектрический генератор: принцип работы, конструкция, сфера применения и перспективы. Как сделать термогенератор своими руками.

Устройство термоэлектрического генератора принцип работы

Что такое термоэлектрический генератор?

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Обозначения:

  • 1 – медный проводник.
  • 2 – проводник из сурьмы.
  • 3 – стрелка компаса.
  • А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

  1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
  2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

  • Варочной поверхности.
  • Обогревателя.
  • Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

  • Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
  • Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
  • Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
  • Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
  • Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
  • Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

  • Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
  • Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
  • Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
  • Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Термоэлектрический генератор. Устройство, виды, принцип действия термоэлектрического генератора.

Термоэлектрические генераторы

В качестве устройства для прямого превращения теплоты в электрическую энергию применяют термоэлектрические генераторы, которые используют принцип работы обычных термопар (рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы обычных термопар

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) — это устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием полупроводниковых термоэлементов (рис. 2), соединённых между собой последовательно или параллельно.

Рис. 2. Полупроводниковые термоэлементы

В термоэлектрическом генераторе для получения электричества используется эффект Зеебека, который заключается в появлении электродвижущей силы в замкнутой цепи из двух разнородных материалов, если места контактов поддерживаются при разных температурах. Возникновение эффекта связано с тем, что энергии свободных электронов или дырок в полупроводниковом материале зависят от температуры (рис. 3).

Рис. 3. Движение электронов и дырок в материале при нагреве

Рис. 4. Появление термоЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных материалов, если места контактов имеют разные температуры

В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Если один контакт нагрет больше, чем другой, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток (рис. 4). В состав термоэлектрических генераторов входят термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов, соединенных последовательно или параллельно и теплообменники горячих и холодных спаев термобатарей. Принципиальная схема электрической цепи полупроводникового термоэлектрического генератора включает в себя полупроводниковый термоэлемент, состоящий из ветвей (вырезанных из кристаллов небольших прямоугольных элементов) p- и n-типа проводимости, то есть обладающими разными знаками коэффициента термоэлектродвижущей силы, коммутационные пластины горячего и холодного спаев и активную нагрузку (рис. 5).

Рис. 5. Устройство полупроводниковых термоэлементов

В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку в цепи течет постоянный ток, обусловленный эффектом Зеебека (рис. 6).

Этот же ток вызовет выделение и поглощение теплоты Пельтье на спаях p- и n- ветвей термоэлемента с металлическими пластинами. Это движение носителей происходит от горячих спаев к холодным, что соответствует поглощению на горячих спаях теплоты Пельтье.

Рис. 6. Эффект Зеебека

Эффект Зеебека — возникновение ЭДС (термоЭДС)в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах. Открыт в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (Seebeck).

Читайте также  Шкив генератора для suzuki

Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников (М1 и М2), возникает термоЭДС, если места контактов (А, В) поддерживаются при разных температурах. Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (термоток Iт), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока.

Цепь, составленная из двух различных проводников (M1, М2), называется термоэлементом (пли термопарой), а ее ветви — термоэлектродами.

Полупроводниковые материалы, использующиеся в таких генераторах, должны иметь как можно больший коэффициент термоЭДС, хорошую электропроводность и, для того, чтобы получить значительный перепад температуры между холодными и горячими спаями кристаллов, малую теплопроводность. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют сильно легированные полупроводниковые материалы. КПД термоэлемента определяется температурами горячего и холодного спаев и свойствами материалов, из которых выполнен термоэлемент — их термоэлектродвижущей силой на 1 градус, теплопроводностью и удельным электрическим сопротивлением. На величину КПД термоэлемента оказывает также влияние отношение величины его внутреннего омического сопротивления к сопротивлению присоединенной внешней нагрузки.

Чаще всего для изготовления термоэлементов применяют твердые растворы на основе халькогенидов элементов V группы. Так как для работы в термоэлектрическом генераторе не нужна высокая чистота применяемых материалов, то генераторы бывают относительно дешевы и успешно работают в условиях проникающей радиации. Для разогрева таких генераторов могут быть использованы: — побочная теплота — солнечный свет, стенка разогревающейся при работе установки (рис. 7); теплота от специального генератора — газовой или керосиновой горелки, атомного реактора (рис. 8).

Рис. 7. Использование теплоты солнечного излучения

Рис. 8. Использование теплоты от специального генератора

Термоэлектрические генераторы применяются для энергоснабжения удаленных и труднодоступных потребителей электроэнергии -автоматических маяков, навигационных буев, метеорологических станций, активных ретрансляторов, космических аппаратов, станций антикоррозионной защиты газо- и нефтепроводов (рис. 9-10).

Рис. 9. Реклама энергопечи, позволяющей получать электроэнергию

Рис. 10. Термоэлектрическое нагревательное устройство для космонавтов

Термоэлектрические генераторы обладают рядом преимуществ перед традиционными электромашинными преобразователями энергии, например турбогенераторами, отсутствием движущихся частей, бесшумностью работы, компактностью, легкостью регулировки, малой инерционностью. Недостатком термоэлектрических генераторов является низкий КПД – от 1% до 10% (рис. 8.86).

Проблема ограничения КПД

Особенностью существующих термопар является большое внутреннее сопротивление термопары как источника ЭДС, вызванные большой длиной и малым поперечным сечением ветвей термопары:

r = p1l1/s1 + p2I2/s2

где p1 и р2; 11 и l2; s1 и s2 — удельное сопротивление, длина и площадь поперечного сечения ветвей термопары. Это же является причиной и большого термического сопротивления для теплового потока через ветви термопары, часть энергии которого и преобразуется в электричество. Такая особенность приводит к тому, что КПД современных термоэлементов не превышает 1 % для металлических и 5-7% для полупроводниковых термопар при значительных перепадах температур, и не позволяет получить большие мощности термоэлектрических преобразователей. Для улучшения системы надо оптимизировать соотношения р, l и s.

Несмотря на это термоэлектрические генераторы нашли широкое применение для питания переносных устройств электроники, что объясняется простотой их эксплуатации, высокой надежностью и относительно небольшой стоимостью.

Термоэмиссионные методы преобразования теплоты в электрическую энергию

Термоэмиссионный преобразователь – это преобразователь тепловой энергии в электрическую на основе использования эффекта термоэлектронной эмиссии. Представляет собой ламповый диод, к эмиттеру которого подводится теплота, нагревая его до высокой температуры. Для нейтрализации влияния поля объемного заряда и увеличения термоэмиссии путем снижения работы выхода катода в колбу прибора вводятся пары цезия. По сравнению с другими методами преобразования тепловой и химической энергии в электрическую термоэмиссионный метод имеет следующие преимущества: самые низкие весовые характеристики на единицу выходной мощности и возможность работы при высокой температуре холодильника (анода), отсутствие в них движущихся частей, высокая надёжность, компактность, возможность эксплуатации без систематического обслуживания.

Схема простейшего термоэмиссионного устройства показана на рис. 11. Преобразователь состоит из двух электродов: К — катода, нагреваемого от постороннего источника тепла до Т1 ≈ 1400 °К, и А -анода, от которого отводится теплота холодному источнику при температуре Т2 ≈ 700 °К. При T1 >T2 электроны при высокой температуре катода начинают эмиссировать в межэлектродное пространство по направлению к аноду. Количество энергии выхода при эмиссии их с катода больше выделяемой при оседании электронов на холодном аноде. Эту разницу в энергии используют во внешней цепи и тем самым превращают теплоту в электричество. Межэлектродное пространство играет в устройстве этого типа большое значение. Для увеличения количества тепла, превращаемого в электричество, в межэлектродном пространстве, создают вакуум, но при этом в нем образуется пространственный заряд, т. е. скопление электронов, тормозящих их движение.

Рис. 11. Схема термоэмиссионного устройства

Для уменьшения влияния пространственного заряда расстояние между электродами уменьшают до

1-10 мкм. Дополнительно нейтрализацию пространственного заряда можно обеспечить, добавляя в находящееся под вакуумом межэлектродное пространство пары щелочных металлов (цезия и др.). В этом случае межэлектродное пространство начинает ионизироваться и эмиссия электронов увеличивается.

Термогенераторы. Устройство и работа. Виды и применение

Тепловая энергия и электрическая энергия – разные виды энергии, и мысль о преобразовании одного вида в другой напрашивается само собой (Термогенераторы). Электрическую энергию превратить в тепловую легко – это делает любая электроплитка, а иногда подобное преобразование является побочным и невыгодным для нас, как, например, в электролампочке накаливания.

Но существует и возможность получения электрической энергии непосредственно от источника тепла посредством устройств, называемых термогенераторы или термоэлектрогенераторы (ТЭГ), составляются из отдельных термоэлементов.

Устройство и принцип действия термоэлементов

Принцип действия термоэлементов основан на эффекте, открытом немецким физиком Зеебеком в 1821 году. Эффект Зеебека заключается в том, что в цепи из двух соединенных разнородных проводников возникает электродвижущая сила (ЭДС) постоянного тока, если место спая проводников и свободные (неспаянные) концы проводников поддерживаются при разных температурах.

Разнородными проводниками могут служить разные металлы либо полупроводники с разными типами проводимости (n-типа и p-типа). Суть эффекта в том, что энергия свободных электронов (как и энергия молекул любого газа), зависит от температуры – чем выше температура, тем выше энергия. При контакте двух проводников электроны перемещаются от проводника с электронами более высокой энергии к проводнику с электронами менее высокой энергии. Если такое устройство из двух проводников замкнуть на внешнюю нагрузку, в ней возникнет электрический ток, стремящийся выровнять энергию электронов в проводниках, чему можно воспрепятствовать постоянным подводом тепла к нагретому спаю и удержанием низкой температуры холодных свободных концов.

Особенности термоэлементов

Величина ЭДС термоэлемента (термоэдс) определяется по формуле E = a (T1 — T2), где а – коэффициент термоэдс (называемый еще коэффициентом Зеебека, удельной термоэдс или термосилой), зависящий от материала проводников, составляющих термоэлемент. А T1 и T2 соответственно температура горячего и холодного концов термоэлемента. Поскольку a – это значение ЭДС термоэлемента при разнице температур в 1 °С (или 1 кельвин, обозначаемый К, и равный одному градусу Цельсия), то и выражается a в микровольтах на градус или кельвин (мкВ/К).

Сложность в том, что коэффициент термоэдс зависит от материала проводников термоэлемента, и, если мы имеем 10 материалов, из которых составляются термоэлементы в любых сочетаниях, они попарно дадут 90 значений a. Но ситуация облегчается тем, что значения коэффициентов термоэдс аддитивны, их можно складывать – если известны термоэдс двух материалом в паре с опорным материалом, то термоэдс пары материалов будет равна сумме термоэдс каждого из материалов в паре с опорным материалом.

Если взять один из металлов, например платину, за основу (опорный материал), и определять коэффициенты интересующих нас металлов относительно платины. То коэффициенты для всех прочих пар металлов определяются алгебраическим сложением (со знаком) коэффициентов составляющих пару металлов относительно платины (при этом сама платина в составе термоэлемента может отсутствовать).

Значение a несколько зависит от температурного диапазона и даже может менять знак в разных температурных диапазонах, оно также чувствительно к микроскопическим количествам примесей и к ориентации кристаллов в проводнике.

Поскольку разница температур в термобатареях обычно составляет сотни градусов, проще определить термоэдс относительно платины при нагреве одного конца термоэлемента до 100 °С, при поддержании нулевой температуры другого конца.

Подсчитаем термоэдс для пары с наибольшей термоэдс сурьма-висмут: 4,7-(-6,5) = 11,2 (мВ). Для пары железо-алюминий термоэдс составит всего 1,6 — 0,4 = 1,2 (мВ), почти в 10 раз меньше. Не следует забывать, что эту ЭДС термоэлемент развивает при разности температур в 100 °С с пропорциональным изменением при иной разности температур.

ЭДС термоэлементов из металлических проводников лежит в пределах 5-60 мкВ/К. Наибольшую термоэдс дает контакт двух полупроводников, при нагреве горячих спаев до 300-400 °С можно получить термоэдс до 0,3В на один термоэлемент.

История создания

Первоначально термоэлементы использовались в измерительных приборах и датчиках температуры (термопарах), в последующем из них стали создавать термогенераторы, собирая термобатареи из термоэлементов. В термобатареях термоэлементы для повышения вырабатываемых напряжения и мощности соединяются параллельно-последовательно.

Первую термоэлектрическую батарею создали в 1823 году века датские физики Эрстед и Фурье с термоэлементами из сурьмы и висмута, разница температур создавалась газовой горелкой. Термобатареи создавались и в последующие годы, но практического применения не находили, поскольку имели низкий коэффициент полезного действия (КПД), составлявший при электродах из чистых металлов менее процента. Для поднятия КПД следовало применять в качестве электродов полупроводниковые материалы – окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Советский академик А.И. Иоффе в начале 1930-х годов предложил превращать световую и тепловую энергию в электричество посредством полупроводников. В годы войны «партизанский котелок» на основе термобатареи из константана и сурьмянистого цинка позволял вырабатывать электроэнергию, мощности которой хватало для питания портативной радиостанции. Горячие спаи термобатареи нагревались пламенем костра, холодные находились в котелке с водой, что поддерживало разницу температур до 300 °С, при этом КПД доходил до 2%.

В 50-е годы в СССР выпускались термогенераторы для питания радиоприемников в неэлектрофицированных местностях. Горячие спаи термобатареи нагревались обычной керосиновой лампой, применявшейся для освещения, холодные спаи охлаждались воздушным радиатором с металлическими ребрами.

Одна секция подобной батареи вырабатывала напряжение 1,2 В для питания цепей накала электронных ламп радиоприемников, другая – напряжение 2 В для питания вибропреобразователя, вырабатывающего анодное напряжение. Общая мощность термобатареи составляла 4,6 Вт, вырабатываемой энергии хватало для питания распространенных в то время бытовых радиоприемников. Подобный генератор работал практически бесплатно, не боялся работы вхолостую и короткого замыкания, срок службы не ограничивался.

Применение термоэлементов и термогенераторов

Термоэлемент, используемый для измерения температуры, принято называть термопарой. Термоэлектрические термометры состоят из термопары в качестве датчика и электроизмерительного прибора (милливольтметра), градуированного в °С. Точность определения температуры термопарами доходит до 0,01 °С. Работают они в диапазонах от нескольких градусов выше абсолютного нуля (-273 °С) до 2500 °С.

Термогенераторы вырабатывают электроэнергию посредством:
  • Сжиганием топлива и пиротехнических составов.
  • Радиоактивным распадом изотопов.
  • Работой атомного реактора.
  • Концентрацией солнечного света солнечным коллектором (зеркалом, линзой, тепловой трубой).
  • Съемом с выхлопных и печных труб.
Читайте также  Что такое интегральное реле генератора

Термоэлектрогенераторы собираются из термобатарей, набранных из полупроводниковых термоэлементов. Термогенераторы различаются низко-, средне- и высокотемпературные с работой соответственно в диапазоне температур 20-300, 300-600 и 600-1000 °С.

В ТЭГ осуществляется прямое преобразование энергии с исходной тепловой энергией, и их КПД. При выработке электроэнергии подчиняется ограничениям второго закона термодинамики и не может превосходить КПД цикла Карно с работой в том же интервале температур. Из этого следует, что высокотемпературные термогенераторы потенциально обладают более высоким КПД.

К полупроводниковому материалу, пригодному для создания термогенераторов, предъявляются требования по высокому КПД, технологичности, низкой стоимости, высокому коэффициенту термоэдс, нетоксичности, возможности работы в широком температурном диапазоне. Материал термоэлементов – это обычно твердые растворы германий-кремний. КПД лучших ТЭГ составляет 15%, при мощности до нескольких сотен кВт. Иногда КПД самых совершенных термоэлектрогенераторов доходит до десятков процентов.

Термоэлектрогенераторы широко применяются в качестве бортовых источников питания на космических аппаратах, предназначенных для исследования дальнего космоса, где солнечные батареи неэффективны. Такие генераторы обычно используют тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде плутония.

Используются термоэлектрогенераторы на автомобилях для полезного использования тепла выхлопной системы, на автоматических маяках, навигационных буях, метеостанциях, активных ретрансляторах.

Преимущества и недостатки термогенераторов

Преимущества ТЭГ:
  • Отсутствие движущихся частей.
  • Высокая надежность.
  • Большой (до 25 лет) срок службы.
  • Работа в широком диапазоне температур.
  • Автономность.
Недостатки ТЭГ:
  • Низкий КПД.
  • Сравнительно высокая стоимость.

Недостатки термоэлектрогенераторов преодолеваются по мере совершенствования технологий. Применения материалов с более совершенными характеристиками и их удешевления.

РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов

Так получилось, что в серии «Мирный космический атом» мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг — рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда «Кассини», а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.

Физика процесса

Производство тепла

В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59 Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59 Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится 60 Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин «период полураспада» означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех «обычных» элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:


3D карта изотопов, спасибо ЖЖ пользователю crustgroup за картинку.

Превращение тепла в электричество

Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать:

  • Термоэлектрический преобразователь. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
  • Термоэмиссионный преобразователь. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток.
  • Термофотоэлектрический преобразователь. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
  • Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
  • Двигатель Стирлинга — тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.

История

Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.

В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144 Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.

SNAP-3.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.

Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп — стронций-90.

SNAP-7.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность — десятки ватт. Например, SNAP-7D — 30 Вт при массе 2 т.

SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.

SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность — 25 Вт. Не использовались.

SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий — метеорологические спутники Nimbus, зонды «Пионер» -10 и -11, марсианские посадочные станции «Викинг». Изотоп — плутоний-238, энергетическая мощность

40 Вт.

SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.

SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы «Аполлон». 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности.

MHW-RTG
Название расшифровывается как «многосотваттный РИТЭГ». 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством «Вояджеры». На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.

GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и летит к Плутону на «Новых горизонтах».

MMRTG
РИТЭГ для «Кьюриосити». 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.

Тёплый ламповый кубик плутония.


РИТЭГи США с привязкой по времени.

СССР/Россия

В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ «Лимон-1» на полонии-210, созданный в 1962 году:
.

Первыми космическими РИТЭГами стали «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии «Стрела-1» — «Космос-84» и «Космос-90». Блоки обогрева стояли на «Луноходах» -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии «Марс-96»:

В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании — серии «БЭТА», «РИТЭГ-ИЭУ» и многие другие.

Конструкция

Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию:

Перспективы

Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД — как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG — РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

  1. Очень простая конструкция.
  2. Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
  3. Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
  4. Не требует управления и присмотра.

Недостатки:

  1. Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
  2. Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
  3. Низкий КПД.
  4. Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.

Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.

Особенности термоэлектрических генераторов

  1. Что это такое?
  2. Устройство и принцип работы
  3. Обзор типов
  4. Сферы применения

Теплоэлектростанции признаны в мире как наиболее дешевый вариант получения энергии. Но существует альтернатива этому способу, которая отличается экологичностью, – термоэлектрические генераторы (ТЭГ).

Что это такое?

Термоэлектрический генератор – это приспособление, задача которого заключается в превращении тепловой энергии в электричество путем применения системы термических элементов.

Понятие «тепловая» энергия в данном контексте трактуется не совсем верно, так как тепло означает лишь метод превращения данной энергии.

ТЭГ представляет собой термоэлектрическое явление, которое впервые было проиллюстрировано немецким физиком Томасом Зеебеком в 20-ых годах 19 столетия. Результат исследования Зеебека трактуется как электрическое сопротивление в цепи из двух отличающихся материалов, однако весь процесс протекает лишь в зависимости от температуры.

Устройство и принцип работы

Принцип работы термоэлектрического генератора, или, как его еще называют, теплового насоса, основывается на преобразовании энергии тепла в электрическую энергию с использованием термических элементов полупроводников, которые связываются между собой параллельно или последовательно.

В ходе проведения исследований немецким ученым был создан совершенно новый эффект Пелтье, в котором указывается, что абсолютно разные материалы полупроводников при проведении спаивания дают возможность обнаружить отличие температур между их боковыми точками.

Но как же понять, как работает данная система? Все довольно-таки просто, такая концепция основана на определенном алгоритме: когда один из элементов охлаждают, а другой нагревают, то мы получаем энергию силы тока и напряжения. Главная особенность, которая выделяет из остальных именно этот метод, заключается в том, что тут могут использоваться всевозможные источники тепла, среди которых недавно отключенная плита, лампа, костер или даже чашка с только налитым чаем. Ну а охлаждающим элементом чаще всего является воздух или же обычная вода.

Как же устроены эти термические генераторы? Они состоят из специальных термических батареек, которые изготавливают из материалов проводников, и тепловых обменников разнородных температур спаев термобатарей.

Схема электрической цепи выглядит следующим образом: термоэлементы полупроводников, ветви прямоугольной формы n- и p-типа проводимой способности, соединенные пластины холодных и горячих сплавов, а также высокая нагрузка.

Среди положительных сторон термоэлектрического модуля отмечают возможность использовать абсолютно во всех условиях, в том числе и в походах, да и к тому же легкость транспортировки. Более того, в них отсутствуют подвижные детали, которые имеют свойство быстро изнашиваться.

А к недостаткам относят далеко не низкую стоимость, низкий коэффициент полезного действия (приблизительно 2–3%), а также важность еще одного источника, который обеспечит рациональный перепад температур.

Читайте также  Тяговый генератор тепловоза гс 501

Следует отметить, что ученые активно работают над перспективами усовершенствования и устранения всех погрешностей в получении энергии таким способом. Продолжаются эксперименты и исследования по разработке наиболее эффективных термических батареек, которые помогут повысить значение коэффициента полезного действия.

Однако довольно сложно определить оптимальность этих вариантов, так как они базируются исключительно на практических показателях, не имея при этом теоретического обоснования.

Учитывая все недостатки, а именно, несоответствие материалов для сплавов термобатареек, говорить о прорыве в ближайшем будущем довольно сложно.

Существует теория, что на современном этапе физиками будет использоваться технологически новый метод замены сплавов на более эффективные, в отдельности с внедрением нанотехнологий. Более того, возможен вариант использования нетрадиционных исходников. Так, в университете Калифорнии был проведен эксперимент, где термические батарейки заменили синтезированной искусственной молекулой, которая выступала как связующий материал золотых микроскопических полупроводников. Согласно проведенным опытам стало ясно, что результативность нынешних исследований покажет лишь время.

Обзор типов

В зависимости от методов получения электроэнергии, источников тепла, а также от разновидностей задействованных структурных элементов все термоэлектрические генераторы бывают на нескольких видов.

Топливные. Получают тепло от сжигания топлива, который представляет собой уголь, природный газ и нефть, а также тепло, полученное путем сгорания пиротехнических групп (шашек).

Атомные термоэлектрические генераторы, в которых источником выступает тепло атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоний-238, торий), зачастую здесь термический насос — вторая и третья ступени превращения.

Солнечные генераторы формируют тепло от солнечных коммуникаторов, которые известны нам в повседневной жизни (зеркала, линзы, тепловые трубы).

Утилизационные генерируют тепло из всевозможных источников, в результате чего выделяется отходное тепло (выбросные и топочные газы и прочее).

Радиоизотопные получают тепло путем распада и расщепления изотопов, данный процесс характеризуется неконтролируемостью самого расщепления, и результатом выступает момент полураспада элементов.

Градиентные термоэлектрические генераторы базируются на перепаде температур без каких-либо вмешательств извне: между окружающей средой и местом проведения эксперимента (специально оснащенным оборудованием, промышленным трубопроводом и т. д.) с использованием исходного отправного тока. Приведенный тип теплоэлектрического генератора был использован с утилизацией полученной электрической энергии от эффекта Зеебека для превращения в тепловую энергию согласно закону Джоуля-Ленца.

Сферы применения

Из-за низкого коэффициента полезного действия термоэлектрические генераторы широко используются там, где отсутствуют какие-либо другие варианты источников энергии, а также во время процессов со значительной нехваткой тепла.

Дровяные печи с электрогенератором

Данное устройство характеризуется наличием эмалированной поверхности, источника электроэнергии, в том числе и обогревателя. Мощности такого приспособления может хватить для того, чтобы зарядить мобильное устройство или же другие девайсы с помощью гнезда прикуривателей для автомобилей. Исходя из параметров, можно сделать вывод, что генератор способен работать без обычных условий, а именно, без наличия газа, отопительной системы и электричества.

Термоэлектрические генераторы промышленного производства

Фирмой BioLite была представлена новая модель для походов – портативная печка, которая позволит не только разогреть еду, но и зарядить ваше мобильное устройство. Все это возможно благодаря встроенному в это приспособление термоэлектрическому генератору.

Данное устройство отлично вам послужит в походах, на рыбалке или же в любом месте, отдаленном от всех условий современной цивилизации. Работа генератора BioLite характеризуется сжиганием топлива, которое последовательно по стенкам передается и вырабатывает электричество. Получаемая электроэнергия позволит зарядить телефон или же подсветить светодиод.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы

В них источником энергии выступает тепло, которое образуется в результате расщепления микроэлементов. Они нуждаются в постоянном снабжении топливом, поэтому имеют превосходство над другими генераторами. Однако их существенный недостаток заключается в том, что при работе необходимо соблюдать правила безопасности, так как имеет место излучение ионизированными материалами.

Несмотря на то что запуск таких генераторов может быть опасен, в том числе и для экологической ситуации, их использование довольно распространено. Например, их утилизация возможна не только на Земле, но и в космосе. Известно, что радиоизотопные генераторы применяются для заряда навигационных систем, чаще всего в местах, где отсутствуют системы связи.

Термические микроэлементы

Термобатарейки выступают как преобразователи, а также их конструкцию составляют электроизмерительные приборы, калиброванные в Цельсиях. Погрешность в таких приборах обычно приравнивается к 0,01 градусам. Но необходимо отметить, что данные устройства разработаны для использования в диапазоне от минимальной черты абсолютного нуля и до 2000 градусов по Цельсию.

Термические электрогенераторы в последнее время получили широкую популярность при работе в труднодоступных местах, которые полностью лишены систем связи. К этим локациям относится и Космос, где данные устройства все чаще используются в виде альтернативных источников электропитания на борту космических средств.

В связи с развитием научно-технического прогресса, а также углубленными исследованиями в физике получает популярность применение термоэлектрических генераторов в транспортных средствах для восстановления энергии тепла, чтобы переработать вещества, которые извлекают из вытяжных систем автомобилей.

В следующем видео представлен обзор современного термогенератора электричества для похода BioLite energy everywhere.

Онлайн помощник домашнего мастера

Термоэлектрический генератор – лучшие устройства и советы по их использованию (инструкция + видео)

Термоэлектрический генератор, сокращенно ТЭГ – это устройство, вырабатывающее электричество, используя эффект возникновения электродвижущей силы (ЭДС), за счет разницы температур проводников. Стоит отметить, что имеется и обратный эффект — получение разницы температур при воздействии электрического тока.

Краткое содержимое статьи:

Что это такое?

Для объяснения принципа работы термоэлектрического генератора, нужно взять разнородные проводники и замкнуть их в цепь. Точки, в которых проводники соединяются, называют спаями. При нагреве одного из спаев цепи энергия свободных электронов на нем возрастает, так как имеет зависимость от температуры.

На нагретом участке электроны имеют более высокую энергию и начинают перемещаться в холодную область, где электроны обладают меньшей энергией, таким образом в цепи возникает ЭДС.

Величина разности потенциалов в такой цепи зависит от температуры, электропроводности и коэффициента термоЭДС ,который также называется коэффициентом Зеебека.

Для разных материалов его значение различно и измеряется относительно коэффициента платины, которой равняется нулю. К примеру, сурьма, железо, кадмий имеют положительный коэффициент, а висмут, никель, кобальт — отрицательный.

Историческая справка

Термоэлектрические эффекты или термоэлектричество, своим открытием обязано нескольким ученым. Впервые явление открыл немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, в 1821 году. Оно получило название «Эффект Зеебека».

Обратное свойство – нагревание или охлаждение разнородных проводников воздействием электрического тока, в 1834 году изучил француз Жан Пельтье, его именем назван и сам эффект и термоэлектрический преобразователь, получивший название элемент Пельтье. Свой вклад в исследования внесли, также русский физик Эмилий Ленц в 1838 г. и британец Уильям Томпсон в 1851 г.

ТЭГ пытались создавать с середины 19 века. В 1874 году была разработана батарея Кламона, которая была достаточно мощной, чтобы использоваться в типографии или при гальванизации.

Причина, по которой эти технологии не получили широкого распространения, заключается в низком КПД, при использовании чистых металлических пар — это сотые доли процента. Немногим более эффективными — 1,5-2,0% оказались термоэлементы из полупроводников, которые начали использоваться в середине XX века.

Можно вспомнить довольно известный «партизанский котелок», от которого питались радиостанции. Выпускалась модель термоэлектрического генератора ТГК-3. Фото термоэлектрического генератора ТГК-3 представлены в нашей галерее.

Была отсылка к теме термоэлектрических генераторов и в советской фантастике — в 1930-х годах Роман Адамов написал научно-фантастический роман «Тайна двух океанов», о похождениях подводной лодки «Пионер», источником энергии в которой служила термопара.

Конструктивные особенности и область применения

Основой конструкции термоэлектрического генератора являются термоэлемент, нагреватель, охладитель и нагрузка, это может быть лампа, разъем для подключения устройств — все, что потребляет электричество.

Простота устройства, отсутствие лишних преобразований энергии и минимум движущихся механических узлов делает ТЭГ надежным и долговечным в эксплуатации источником энергии.

Автономные термоэлектрические генераторы

Именно простота и надежность обусловили использование ТЭГ в отдаленных и труднодоступных регионах для автономного энергоснабжения. К примеру, они применяются для питания навигационных маяков и метеорологических станций. Зачастую это разновидность газовых генераторов — ГТЭГ, где для нагревания используется природный газ.

Отдельно стоит упомянуть радиоизотопные ТЭГ, в которых источником тепла является естественный распад изотопов. Автоматическая межпланетная станция Кассини, запущенная к Сатурну в 1997 году была оборудована таким источником.

Для нагрева в РИТЭГ было использовано 32,8 килограмма изотопа плутония-238.

Универсальные термоэлектрические генераторы

К универсальным ТЭГ можно отнести те устройства, которые используют излишки тепла там, где таковые имеются, а также генераторы двойного назначения — для выработки электрической и тепловой энергии.

Область применения довольно широка. Хорошо подходят такие термоэлектрические генераторы для дома — в качестве дополнительного или резервного источника питания. Существуют модели, встраиваемые в систему отопления и позволяющие сделать ее автоматику и циркуляционные насосы практически полностью энергонезависимыми.

Вариант для дома или дачи, даст не только электричество, но и послужит в качестве печи, ниже показан пример такой электрогенерирующей печи.

ТЭГ своими руками

Создание простейшего генератора в домашних условиях не составит больших трудностей по причине его крайней простоты. По сути, все что нужно, это найти элемент Пельтье. Приобрести такой элемент сегодня не составляет труда и не потребует больших затрат.

Для простейшей демонстрации, кроме термоэлемента, достаточно будет двух алюминиевых банок прямоугольной формы, канцелярского зажима, пары проводов, холодной и горячей воды. Нужно поместить элемент Пельтье между корпусами банок, скрепив их зажимом, налить в одну банку кипяток, в другую холодную воду, желательно со льдом.

Теперь, если правильно соблюдена полярность, можно замерить напряжение на выводах элемента, сомнительно, что оно будет больше одного вольта, но, можно считать, что демонстрация удалась.

Чуть более сложной задачей будет сборка термоэлектрического генератора на дровах. Для этого, помимо термоэлемента, понадобиться камера сгорания, в качестве которой подойдет корпус от компьютерного блока питания, радиатор и вентилятор можно использовать от процессора, разъем USB.

Для тех, кто желает получить более высокое напряжение можно порекомендовать инверторы стабилизаторы — все зависит от фантазии. Инструкций и схем на просторах сети достаточно. Ниже приведена фотография подобного устройства.

Заключение

Итак, в статье был дан краткий обзор одному из направлений альтернативной энергетики — энергия, получаемая за счет термоэлектрических эффектов. История развития этого направления еще не написана до конца и не стоит на месте.

Термоэлектрические генераторы совершенствуются и находят новые применения, а следовательно рано сбрасывать со счетов эти простые, но полезные устройства.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: