ЕЛЕКТРОСАМ.РУ

Термогенератори. Пристрій та робота. Види та застосування

Теплова енергія та електрична енергія – різні види енергії, і думка про перетворення одного виду на інший напрошується само собою (Термогенератори). Електричну енергію перетворити на теплову легко – це робить будь-яка електроплитка, а іноді подібне перетворення є побічним та невигідним для нас, як, наприклад, в електролампочці розжарювання.

Але існує можливість отримання електричної енергії безпосередньо від джерела тепла за допомогою пристроїв, званих термогенератори. Термогенератори, або термоелектрогенератори (ТЕГ) складаються з окремих термоелементів.

Пристрій та принцип дії термоелементів

Принцип дії термоелементів заснований на ефекті, відкритому німецьким фізиком Зеєбеком у 1821 році.Ефект Зеебека полягає в тому, що в ланцюзі з двох з'єднаних різнорідних провідників виникає електрорушійна сила (ЕРС) постійного струму, якщо місце спаю провідників і вільні (неспаяні) кінці провідників підтримуються при різних температурах.

Різнорідними провідниками можуть бути різні метали чи напівпровідники з різними типами провідності (n-типу і p-типу). Суть ефекту в тому, що енергія вільних електронів (як і енергія молекул будь-якого газу) залежить від температури – чим вища температура, тим вища енергія. При контакті двох провідників електрони переміщаються від провідника з електронами вищої енергії до провідника з електронами меншої енергії. Якщо такий пристрій із двох провідників замкнути на зовнішнє навантаження, у ньому виникне електричний струм, що прагне вирівняти енергію електронів у провідниках, чому можна перешкодити постійним підведенням тепла до нагрітого спаю та утриманнямнизької температури холодних вільних кінців.

Особливості термоелементів

Величина ЕРС термоелемента (термоедс) визначається за формулою E = a (T1 - T2), де а - коефіцієнт термоедс (називається ще коефіцієнтом Зеебека, питомою термоедс або термосилою), що залежить від матеріалу провідників, що становлять термоелемент. А T1 і T2 відповідно температура гарячого та холодного кінців термоелемента. Оскільки a - це значення ЕРС термоелемента при різниці температур в 1 ° С (або 1 кельвін, що позначається, і дорівнює одному градусу Цельсія), то і виражається a в мікровольтах на градус або кельвін (мкВ / К).

Складність у тому, що коефіцієнт термоедс залежить від матеріалу провідників термоелемента, і якщо ми маємо 10 матеріалів, з яких складаються термоелементи в будь-яких поєднаннях, вони попарно дадуть 90 значень a. Але ситуація полегшується тим, що значення коефіцієнтів термоедс адитивні, їх можна складати – якщо відомі термоедс двох матеріалом у парі з опорним матеріалом, то термоед пари матеріалів дорівнюватиме сумі термоедс кожного з матеріалів у парі з опорним матеріалом.

Якщо взяти один з металів, наприклад платину, за основу (опорний матеріал), і визначати коефіцієнти цікавлять нас металів щодо платини. То коефіцієнти для всіх інших пар металів визначаються складом алгебри (зі знаком) коефіцієнтів складових пару металів щодо платини (при цьому сама платина у складі термоелемента може бути відсутнім).

Значення a дещо залежить від температурного діапазону і навіть може змінювати знак у різних температурних діапазонах, воно також чутливе до мікроскопічних кількостей домішок та орієнтації кристалів у провіднику.

Оскільки різниця температур у термобатареях зазвичайстановить сотні градусів, простіше визначити термоедс щодо платини при нагріванні одного кінця термоелемента до 100 °С, за підтримки нульової температури іншого кінця.

Підрахуємо термоед для пари з найбільшою термоед сурма-вісмут: 4,7-(-6,5) = 11,2 (мВ). Для пари залізоалюміній термоедс складе всього 1,6 - 0,4 = 1,2 (мВ), майже в 10 разів менше. Не слід забувати, що цю ЕРС термоелемент розвиває при різниці температур 100 °С з пропорційною зміною при іншій різниці температур.

ЕРС термоелементів із металевих провідників лежить у межах 5-60 мкВ/К. Найбільшу термоедс дає контакт двох напівпровідників, при нагріванні гарячих спаїв до 300-400 ° С можна отримати термоедс до 0,3 на один термоелемент.

Історія створення

Спочатку термоелементи використовувалися у вимірювальних приладах та датчиках температури (термопарах), у подальшому з них стали створювати термогенератори, збираючи термобатареї з термоелементів. У термобатареях термоелементи для підвищення напруги, що виробляється, і потужності з'єднуються паралельно-послідовно.

Першу термоелектричну батарею створили в 1823 році століття данські фізики Ерстед і Фур'є з термоелементами із сурми та вісмуту, різниця температур створювалася газовим пальником. Термобатареї створювалися і в наступні роки, але практичного застосування не знаходили, оскільки мали низький коефіцієнт корисної дії (ККД), що становив при електродах з чистих металів менше відсотка. Для підняття ККД слід було застосовувати як електроди напівпровідникові матеріали – оксиди, сульфіди та інтерметалеві сполуки.

Радянський академік О.І. Іоффе на початку 1930-х років запропонував перетворювати світлову та теплову енергію на електрику за допомогою напівпровідників.У роки війни «партизанський казанок» на основі термобатареї з константану та сурм'янистого цинку дозволяв виробляти електроенергію, потужності якої вистачало для живлення портативної радіостанції. Гарячі спаї термобатареї нагрівалися полум'ям багаття, холодні перебували у казанку з водою, що підтримувало різницю температур до 300 °С, при цьому ККД доходив до 2%.

У 50-ті роки в СРСР випускалися термогенератори для живлення радіоприймачів у неелектрофікованих місцевостях. Гарячі спаї термобатареї нагрівалися звичайною гасовою лампою, що застосовувалася для освітлення, холодні спаї охолоджувалися повітряним радіатором із металевими ребрами.

Одна секція подібної батареї виробляла напругу 1,2 В для живлення ланцюгів розжарення електронних ламп радіоприймачів, інша - напруга 2 В для живлення віброперетворювача, що виробляє анодне напруження. Загальна потужність термобатареї становила 4,6 Вт, що виробляється енергії вистачало для живлення поширених на той час побутових радіоприймачів. Подібний генератор працював практично безкоштовно, не боявся роботи вхолосту та короткого замикання, термін служби не обмежувався.

Застосування термоелементів та термогенераторів

Термоелемент, що використовується для вимірювання температури, називається термопарою. Термоелектричні термометри складаються з термопари як датчик і електровимірювальний прилад (мілівольтметр), градуйований в °С. Точність визначення температури термопарами сягає 0,01 °С. Працюють вони в діапазонах від декількох градусів вище за абсолютний нуль (-273 °С) до 2500 °С.

Термогенератори виробляють електроенергію за допомогою:

Спалюванням палива та піротехнічних складів.
Радіоактивний розпад ізотопів.
Роботою атомногореактора.
Концентрація сонячного світла сонячним колектором (дзеркалом, лінзою, тепловою трубою).
Знімання з вихлопних і пічних труб.

Термоелектрогенератори збираються із термобатарей, набраних із напівпровідникових термоелементів. Термогенератори розрізняються низько-, середньо- та високотемпературні з роботою відповідно в діапазоні температур 20-300, 300-600 та 600-1000 °С.

У ТЕГ здійснюється пряме перетворення енергії з вихідною тепловою енергією та їх ККД. При виробленні електроенергії підпорядковується обмеженням другого закону термодинаміки і може перевищувати ККД циклу Карно з роботою у тому інтервалі температур. З цього випливає, що високотемпературні термогенератори потенційно мають більш високий ККД.

До напівпровідникового матеріалу, придатного для створення термогенераторів, висуваються вимоги щодо високого ККД, технологічності, низької вартості, високого коефіцієнта термоедс, нетоксичності, можливості роботи в широкому температурному діапазоні. Матеріал термоелементів – зазвичай тверді розчини германій-кремній. ККД найкращих ТЕГ становить 15%, при потужності до кількох сотень кВт. Іноді ККД найдосконаліших термоелектрогенераторів сягає десятків відсотків.

Термоелектрогенератор широко застосовуються в якості бортових джерел живлення на космічних апаратах, призначених для дослідження далекого космосу, де сонячні батареї неефективні. Такі генератори зазвичай використовують тепло, що виділяється при радіоактивному розпаді плутонію.

Використовуються термоелектрогенератори на автомобілях для корисного використання тепла вихлопної системи, автоматичних маяках, навігаційних буях, метеостанціях, активних ретрансляторах.

Переваги та недолікитермогенераторів

Переваги ТЕГ:

Відсутність рухомих частин.
Висока надійність.
Великий (до 25 років) термін служби.
Робота у широкому діапазоні температур.
Автономність.

Недоліки ТЕГ:

Низький ККД.
Порівняно висока вартість.

Недоліки термоелектрогенераторів долаються у міру вдосконалення технологій. Застосування матеріалів з більш досконалими характеристиками та їх здешевлення.