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

История изобретения термоэлектрогенераторов 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.Термоэлектричество, эффект Пельтье, эффект Зеебека 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.

Типы применяемых термоэлектрогенераторов Топливные: тепло от сжигания топлива (природный газ, нефть, уголь) и тепло от горения пиротехнических составов (шашек). Радиоизотопные: тепло от распада изотопов (распад не контролируется и работа определяется периодом полураспада). Атомные: тепло ядерного реактора (уран-233, уран-235, плутоний-238, торий), как правило, здесь термоэлектрогенератор — вторая и третья ступень преобразования. Солнечные: тепло от солнечных коллекторов (зеркала, линзы, тепловые трубы).

Утилизационные: тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные и печные газы, тепло керосиновых ламп и др). Градиентные: основанные на естественном перепаде температур между окружающей средой и помещением (оборудованием, технологическим трубопроводом с тёплой перемещаемой средой и т.д.) с применением первоначального пускового тока. В основе данного типа термоэлектрогенераторов — использование части полученной электрической энергии от эффекта Зеебека для преобразования в тепловую по закону Джоуля-Ленца. Термосифонные: использование естественного тепла земли или воды, в случае отрицательных наружных температур. Тепловая энергия земли, посредством термосифона, установленного в скважину, доставляется к термоэлектрическому генератору, оборудованному радиатором с воздушным оребрением. За счет разницы температур генерируется электрическая энергия.

Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии 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.Анатычук Л. И., Булат Л. П. Полупроводники в экстремальных температурных условиях. — СПб., Наука, 2001. — Тираж 1500 экз. — c. 179 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 способом 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 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 узловМГД-генераторы и термоэлектрическая энергетика. Киев. «Наукова думка».1983.г.:Типы термоэлектрогенераторов и основных составляющих генераторных узлов1965 год.1970 год.1975 год.1980 год.Карно.Солнечная энергия без концентрации0,80,850,90,920,96Солнечная энергия с концентрацией0,650,70,750,80,9Газовые горелки0,50,60,650,70,8Газовые топки0,750,80,850,90,92Изотопы0,80,850,90,951,00Атомные реакторы0,750,80,850,951,00Низкотемпературные термоэлектрические материалы0,060,080,10,120,5Среднетемпературные термоэлектрические материалы0,040,060,080,10,35Высокотемпературные термоэлектрические материалы0,040,050,060,070,23Каскадные термоэлементы0,120,140,180,200,77Коммутация термоэлектрических батарей0,90,930,950,980,99Изоляция термоэлектрических батарей0,90,920,950,971,00Тепловой контакт0,90,930,950,970,99Теплоноситель0,90,920,930,940,98Охлаждающее оребрение наземное0,550,6Охлаждающее оребрение космическое0,80,85Солнечный космический термоэлектрогенератор без концентратора0,0160,0250,0350,0450,16Солнечный космический термоэлектрогенератор с концентратором0,0170,0290,0430,0610,25Солнечный наземный термоэлектрогенератор с концентратором0,0290,0440,0880,1450,59Газовый термоэлектрогенератор с оребрением0,0130,0230,0300,0430,20Газовый термоэлектрогенератор с теплоносителем0,020,0350,0730,1750,57Радиоизотопный термоэлектрогенератор с оребрением0,0210,0320,0490,120,36Радиоизотопный термоэлектрогенератор с теплоносителем0,0320,0750,1290,240,71Реакторный космический термоэлектрогенератор0,0160,0230,0440,1130,36Реакторный наземный термоэлектрогенератор0,030,0470,1210,240,71Термоэлектрогенератор типа парового котла0,2260,66 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

Радиоизотопные термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов, предназначенных для исследования удалённых от Солнца областей Солнечной системы. В частности, такие генераторы, использующие тепло плутониевых тепловыделяющих элементов, установлены на космических аппаратах «Кассини» и «Новые горизонты». В прошлом подобные устройства применялись и на Земле — в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания (напр., Крайний Север).

В последние годы термоэлектрические генераторы получили применение в автомобильной технике для рекуперации тепловой энергии, например для утилизации тепла элементов выхлопной системы.

См. также МГД-генератор

Примечания

Литература МГД-генераторы и термоэлектрическая энергетика / Киев. «Наукова думка».1983.г. Поздняков Б. С, Коптелов Е. А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974 г., 264 с.

Категория:Термоэлектрические явления Категория:Физические эффекты и явления Категория:Электрогенераторы