Термоэлектрогенератор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Термоэлектрогенератор — это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).

История изобретения термоэлектрогенераторов[править | править вики-текст]

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, может производить электричество. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук.[1] В основе термоэлектрического эффекта Зеебека лежит тот факт, что температурный градиент в токопроводящем материале вызывает тепловой поток; это приводит к переносу носителей заряда. Поток носителей заряда между горячими и холодными областями, в свою очередь, создает разность потенциалов.

В 1834 году Жан-Шарль Пельтье обнаружил обратный эффект, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников.[2]

Типы применяемых термоэлектрогенераторов[править | править вики-текст]

  • Утилизационные: Тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные и печные газы и др).

Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии[править | править вики-текст]

Для термоэлектрогенераторов используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик (тысячи сплавов и соединений), но лишь немногие из них могут использоваться для преобразования тепловой энергии. Современная наука постоянно изыскивает новые и новые полупроводниковые композиции и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах. Определённо можно сказать, что на сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным инструментом в создании такого материала является эксперимент. Важнейшими свойствами полупроводникового материала для термоэлектрогенераторов являются:

  • КПД: Желателен как можно более высокий КПД;
  • Технологичность: Возможность любых видов обработки;
  • Стоимость: Желательно отсутствие в составе редких элементов или их меньшее количество, достаточная сырьевая база (для расширения сфер ассимиляции и доступности);
  • Коэффициент термо-ЭДС: Желателен как можно более высокий коэффициент термо-ЭДС (для упрощения конструкции);
  • Токсичность: Желательно отсутствие или малое содержание токсичных элементов (например: свинец, висмут, теллур, селен) или их инертное состояние (в составе сплавов);
  • Рабочие температуры: Желателен как можно более широкий температурный диапазон для использования высокопотенциального тепла и, следовательно, увеличения преобразуемой тепловой мощности.

Пути развития и повышения КПД[править | править вики-текст]

  • Эффективный термоэлектрический материал: КПД преобразования, термо-ЭДС, пластичность, тонкоплёночное исполнение.
  • Эффективный и совместимый с теплообменником жидкометаллический теплоноситель.
  • Расширение использования высококачественной керамики в конструкции ТЭГ.
  • Унификация узлов, приспособленных для разных случаев применения.
  • Предельное повышение энергоплотности ТЭГов до уровня автомобильных и авиационных двигателей и выше.
КПД различных термоэлектрических генераторов и составляющих их узлов[3]:
Типы термоэлектрогенераторов и основных составляющих генераторных узлов 1965 год. 1970 год. 1975 год. 1980 год. Карно.
Солнечная энергия без концентрации 0,8 0,85 0,9 0,92 0,96
Солнечная энергия с концентрацией 0,65 0,7 0,75 0,8 0,9
Газовые горелки 0,5 0,6 0,65 0,7 0,8
Газовые топки 0,75 0,8 0,85 0,9 0,92
Изотопы 0,8 0,85 0,9 0,95 1,00
Атомные реакторы 0,75 0,8 0,85 0,95 1,00
Низкотемпературные термоэлектрические материалы 0,06 0,08 0,1 0,12 0,5
Среднетемпературные термоэлектрические материалы 0,04 0,06 0,08 0,1 0,35
Высокотемпературные термоэлектрические материалы 0,04 0,05 0,06 0,07 0,23
Каскадные термоэлементы 0,12 0,14 0,18 0,20 0,77
Коммутация термоэлектрических батарей 0,9 0,93 0,95 0,98 0,99
Изоляция термоэлектрических батарей 0,9 0,92 0,95 0,97 1,00
Тепловой контакт 0,9 0,93 0,95 0,97 0,99
Теплоноситель 0,9 0,92 0,93 0,94 0,98
Охлаждающее оребрение наземное 0,55 0,6
Охлаждающее оребрение космическое 0,8 0,85
Солнечный космический термоэлектрогенератор без концентратора 0,016 0,025 0,035 0,045 0,16
Солнечный космический термоэлектрогенератор с концентратором 0,017 0,029 0,043 0,061 0,25
Солнечный наземный термоэлектрогенератор с концентратором 0,029 0,044 0,088 0,145 0,59
Газовый термоэлектрогенератор с оребрением 0,013 0,023 0,030 0,043 0,20
Газовый термоэлектрогенератор с теплоносителем 0,02 0,035 0,073 0,175 0,57
Радиоизотопный термоэлектрогенератор с оребрением 0,021 0,032 0,049 0,12 0,36
Радиоизотопный термоэлектрогенератор с теплоносителем 0,032 0,075 0,129 0,24 0,71
Реакторный космический термоэлектрогенератор 0,016 0,023 0,044 0,113 0,36
Реакторный наземный термоэлектрогенератор 0,03 0,047 0,121 0,24 0,71
Термоэлектрогенератор типа парового котла 0,226 0,66
  • Примечание: Коэффициент Карно = 1 соответствует 100 %.

Из таблицы заметен существенный рост КПД, связанный прежде всего с тщательным совершенствованием технологий изготовления материалов, рациональным исполнением конструкций, развитием материаловедения в области термоэлектричества.

Области применения термоэлектрогенераторов[править | править вики-текст]

Термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов, предназначенных для исследования удаленных от Солнца регионов Солнечной системы. В частности, такие генераторы, использующие тепло плутониевых тепловыделяющих элементов установлены на космических аппаратах «Кассини» и «Новые горизонты». В последние годы термоэлектрические генераторы получили применение в автомобильной технике для рекуперации тепловой энергии, например для утилизации тепла элементов выхлопной системы.

Литература[править | править вики-текст]

  • МГД-генераторы и термоэлектрическая энергетика. Киев. «Наукова думка».1983.г.
  • Поздняков Б. С, Коптелов Е. А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974 г., 264 с.
  • Термогенератор керосиновый // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. — М.: Советская энциклопедия, 1959.


Примечания[править | править вики-текст]

  1. Термоэлектричество, эффект Пельтье, эффект Зеебека
  2. Peltier (1834). «[[1] в Google Книгах Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (New experiments on the heat effects of electric currents)]». Annales de Chimie et de Physique 56.
  3. МГД-генераторы и термоэлектрическая энергетика. Киев. «Наукова думка».1983.г.