Термоэлектрические генераторы: история и современность

Термоэлектрические генераторы: история и современность  
 
 

Термоэлектрические генераторы являются устройствами непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Принцип действия ТЭГ основан на применении эффекта Зеебека, открытого в 1821 г. Он заключается в появлении электродвижущей силы в замкнутой цепи из двух разнородных материалов при условии, что на местах контактов поддерживаются разные температуры.

Эффект возникает вследствие зависимости энергии свободных электронов и так называемых дырок от 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.  
 
Рассмотрим основные процессы, протекающие в термоэлектрической цепи, на примере полупроводникового термоэлемента, работающего в режиме ТЭГ, и покажем некоторые термодинамические и энергетические закономерности.

Электрическая цепь состоит из p- и n-ветвей термоэлемента (обладающих разными знаками коэффициента термоэлектродвижущей силы), коммутационных пластин горячего и холодного спаев и активной нагрузки R (рис. 1). При нагреве горячих спаев термоэлемента до температуры Tги рассеивании тепла с холодных спаев, поддерживаемых при температуре Tx, между спаями при разомкнутой цепи R стационарно устанавливается разность температур Tг-Tx. Тепловой поток через термоэлемент в этом случае после некоторых упрощений можно записать как Qx=x(2S/l)(Tr-Tx), где x — среднеинтегральные значения теплопроводностей ветвей, а S и l — соответственно площади поперечного сечения и длины p- и n-ветвей в интервале температур (Tr-Tx). 
 
Разность температур на спаях термоэлемента вызывает термодиффузию носителей, в результате чего горячие спаи ветвей обедняются соответственно электронами и дырками, которые концентрируются на холодных спаях. Нарушение электрической нейтральности создает поле, направленное от холодных участков к горячим, которое препятствует дальнейшей термодиффузии носителей. Это поле и есть термоэлектродвижущая сила E, возникающая на концах разомкнутой цепи термоэлемента и пропорциональная разности температур и разности коэффициентов термоЭДС каждой ветви: E=(ap-an)(Tг-Tх). 
 
В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку R в цепи потечет постоянный ток, обусловленный эффектом Зеебека, определяемый как I=E/(R+r), где r — внутреннее сопротивление термоэлемента. Этот же ток вызовет выделение и поглощение тепла Пельтье на спаях p- и n-ветвей термоэлемента с металлическими пластинами. При этом движение носителей будет происходить от горячих спаев к холодным, что соответствует поглощению на горячих спаях теплоты Пельтье. Итак, вся электрическая мощность, вырабатываемая термоэлементом, есть разница теплот Пельтье его горячего и холодного спаев.

Первое подобие термоэлектрической цепи — батарея — было создано усилиями физиков середины XIX в. Фурье и Эрстеда. В качестве материалов, составляющих цепь термоэлемента, использовались висмут и сурьма. Холодные спаи (висмут) погружались в лед, а горячие нагревались горелками. 
 
Следующим этапом в развитии термоэлектричества явилось создание ряда термоэлектрических батарей — источников электроэнергии для некоторых производственных процессов и даже для осветительных целей. Батарея, разработанная в 1874 г. Кламоном, служила вполне надежным источником электроэнергии и применялась в типографиях и мастерских гелиогравюры.

Другим распространенным в то время типом термобатарей были батареи Ноэ. Однако низкая эффективность устройств этого типа в условиях бурно развивающейся электроэнергетики, естественно, лишала термоэнергетику каких-либо шансов найти себе место в науке и технике начала XX в.

Временем подлинного возрождения термоэлектричества и термоэнергетики можно считать начало 30-х годов прошлого столетия, а его инициатором — академика А.И. Иоффе. Он выдвинул идею о том, что с помощью полупроводников можно сделать реальный шаг на пути превращения тепловой (в том числе солнечной) энергии в электрическую. Это привело к созданию уже в 1940 г. фотоэлемента для преобразования световой энергии в электрическую. 
 
Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов было осуществлено в СССР в период Великой Отечественной войны под непосредственным руководством А.И. Иоффе. Это был ныне широко известный “партизанский котелок” — термопреобразователь на основе термоэлементов из SbZn и константана. Разность температур спаев в 250°-300° обеспечивалась огнем костра при стабилизации температуры холодных спаев кипящей водой. Такое устройство, несмотря на сравнительно невысокий КПД (1,5-2,0%), с успехом обеспечивало электропитанием ряд портативных партизанских радиостанций.

В настоящее время особенно широкие перспективы имеет сочетание термоэлектрических преобразователей с компактными, мощными и относительно дешевыми источниками тепла.

О плюсах и минусах термоэлектробатарей

Термоэлектрические батареи обладают следующими преимуществами перед другими источниками электропитания: они характеризуются длительным сроком службы и практически неограниченным сроком хранения при полной готовности к работе в любое время, не требуют специального обслуживания, устойчивы в работе, дают стабильное напряжение, не боятся короткого замыкания и режима холостого хода. Кроме того, ввиду отсутствия движущихся частей термоэлектрические генераторы полностью бесшумны в работе, что дает им преимущество перед машинными источниками постоянного напряжения.

Благодаря этим свойствам термоэлектрические генераторы находят применение в областях, где требуются сверхнадежные источники электроэнергии, обладающие длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания: автоматические метеостанции, морские маяки, автономные космические аппараты. В качестве источников тепла в них могут использоваться радиоактивные изотопы или ядерные реакторы. Для катодной защиты магистральных газо- и нефтепроводов от коррозии (при условии отсутствия вдоль этих трасс линий электропередачи) используются ТЭГ, работающие на газообразном топливе. Для работы автоматики газовых буровых скважин применяются ТЭГ, использующие перепад температур окружающей среды и газа из скважины. Недостатком ТЭГ является сравнительно низкий КПД преобразования энергии (3-5%).

О предложениях компании “Термокластер”

Московская компания “Термокластер” разрабатывает и реализует термоэлектрические генераторы (ТЭГ) различных конструкций. В частности, для катодной защиты магистральных нефтепроводов и газопроводов от коррозии и для питания различной контрольно-регулирующей аппаратуры используются термоэлектрические генераторы мощностью до 150 Вт, работающие на природном и попутном газе.

Для коттеджей и загородных домов разрабатывается ТЭГ мощностью 200 Вт. Он представляет собой газовый котел, вырабатывающий одновременно тепло для отопления и электроэнергию. Это позволяет обеспечить бесперебойное электропитание системы отопления (автоматики, циркуляционных насосов), что делает ее полностью независимой от внешней электросети. Кроме того, это устройство может являться резервным источником электропитания для широкого спектра бытовых приборов.

Газовый термоэлектрический генератор ГТГ-30-12

Генератор предназначен для обеспечения электроэнергией маломощных потребителей. Он преобразует тепло продуктов сгорания природного газа, пропана, пропан-бутановой смеси в электрическую энергию. Такие генераторы эксплуатируются под навесом или в проветриваемых помещениях при температуре от -30° до +50°С и относительной влажности до 90%.

Электрическая мощность при напряжении на нагрузке 12 В составляет 30 Вт, удельный расход газа — 3,4 г/Втч, давление газа на входе — 0,02-0,036 кг/см3, количество циклов (при длительности 5 часов) — 500. Срок службы — 12 лет, масса — 21 кг, габаритные размеры — 280х340х1140 мм.

Газовый термоэлектрический генератор ГТГ-150Н

Генератор предназначен для комплектации автономных источников электроэнергии мощностью от 150 до 900 Вт, которые используются для питания средств радиорелейной связи и катодной защиты газопроводов. Топливом для генератора служат природный газ, пропан, пропан-бутановая смесь. Электрическая мощность при напряжении на нагрузке 27 В составляет 150 Вт, срок службы — 10 лет, масса — 130 кг, диаметр — 600 мм, высота — 770 мм.

Источник бесперебойного электропитания для системы отопления на базе ТЭГ

Источник бесперебойного питания предназначен для обеспечения непрерывного электропитания системы отопления (автоматики, насосов) и является резервным источником электроэнергии для широкого спектра бытовых приборов при отключении централизованного электроснабжения. Изделие имеет сокращенное наименование “генератор термоэлектрический для отопительной системы” (ГТОС) и представляет собой компактный котел (с газовой или жидкотопливной горелкой) с встроенными термоэлектрическими батареями. Такая комбинация позволяет вырабатывать электроэнергию и тепло для снижения тепловой нагрузки здания. 
 
Мощность по электроэнергии составляет 200 Вт (постоянный ток — 24 В), мощность по теплу — 6-8 кВт, общий КПД достигает 90%. Срок службы — не менее 20 лет. Габаритные размеры (ориентировочно) — 600х330х300 мм. Вес (ориентировочно) — 40 кг.

Устройство имеет следующие преимущества по сравнению с источниками бесперебойного питания на аккумуляторах. Во-первых, в отопительный сезон оно полностью и непрерывно обеспечивает электроэнергией систему отопления здания (автоматика газового котла, циркуляционный насос), делая ее независимой от местных электросетей. Во-вторых, оно экономит электроэнергию (до 800 кВт*ч за отопительный сезон).

За счет добавления дополнительной ступени нагрева и уменьшения циклов зажигания устройство увеличивает срок службы основного котла. Оно надежно и просто в эксплуатации. Имеет длительный срок службы. Не боится короткого замыкания и режима холостого хода. 
 
Кроме того, ГТОС представляет собой непрерывно действующий резервный источник электропитания, который может быть использован при отключении электроснабжения для аварийного освещения, зарядки аккумуляторов (автомобиль, мобильный телефон, видеокамера, ноутбук), питания системы охранной и пожарной сигнализации, телевизора, компьютера, аудиотехники. В теплое время года вырабатываемое тепло может использоваться для горячего водоснабжения или для компенсации теплопотерь в системе горячего водоснабжения здания, а электроэнергия — для питания электропотребителей по желанию пользователя или для накапливания в аккумуляторе.

 
Устройство и принцип работы

Термоэлектрический генератор для отопительной системы (рис. 2.) состоит из газовой горелки 1, кожуха горелки 2, силовой рамы 3, двух жидкостных теплообменников 4, двух термоэлектрических батарей 5, теплообменника 6, соединительных труб 7, теплообменника 8, кожуха 9, элементов сжатия 10 и 11.

Устройство работает следующим образом: продукты сгорания горелки 1 нагревают ребра теплообменника 6. При этом тепловой поток проходит через термоэлектрические батареи 5 и нагревает жидкий теплоноситель (воду, этиленгликоль, пропиленгликоль). На поверхностях термобатарей образуется перепад температуры DТ, равный разности температур теплообменника 6 и теплообменника 4. На концевых шинах батарей “+” и “-” образуется разность потенциалов. Теплообменники 4 и 6 термобатареи 5 сжимаются между собой в раме 3 винтами 10 через тарельчатые пружины 11. Одновременно продукты сгорания нагревают теплоноситель в теплообменнике 8. Устройство включается в действующую отопительную систему перед основным отопительным котлом. Нагретый в устройстве теплоноситель передает тепло через пластинчатый теплообменник поступающей в основной котел “обратке” из системы отопления или исходной воде, подаваемой в систему горячего водоснабжения.

1. Общие сведения о термоэлектрических генераторах.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию. они используются в передвижных АЭУ, питающих труднодоступные объекты, которые монтируются в отдаленных районах Земли (автоматические метеостанции, морские маяки и т.п.). В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах. В качестве источников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ: радиоактивные изотопы (РИТЭГ), ядерные реакторы (ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно принимают, что при электрических мощностях от 1 до 10 кВт на КЛА целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности - ЯРТЭГ. Последние наиболее перспективны для АЭУ КЛА.

Достоинства ТЭГ: большой срок службы, высокая надежность, стабильность параметров, вибростойкость. Недостатки ТЭГ: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м2 (на единицу поперечного сечения элемента), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м3 и сравнительно низкий КПД преобразования энергии (5-8%). Применительно к ЛА ТЭГ представляют собой батареи кремне-германиевых термоэлектрических элементов (ТЭЭ), которые по матричному принципу соединены в ветвях последовательно, а ветви могут иметь между собой параллельные соединения. Батареи ТЭЭ заключены с герметичные контейнеры, заполненные инертным газом во избежание окисления и старения полупроводников. Плоские или цилиндрические конструкции ТЭГ снабжаются устройствами для подвода тепла на горячих спаях и для его отвода на "холодных" спаях полупроводниковых термостолбиков. Конструкция силовых электровыводов ТЭГ должна обеспечивать одновременно термоплотность и электрическую изоляцию от корпуса (контейнера), что представляет достаточно сложную техническую задачу.

2. Физические основы работы термоэлектрических генераторов

В основе действия любого ТЭЭ лежат обратимые термоэлектрические эффекты Пельтье, Томсона (Кельвина) и Зебека. Определяющая роль в ТЭГ принадлежит эффекту термо-ЭДС (Зебека). Преобразование энергии сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала ТЭЭ и протекании тока. Материалы ТЭЭ с приместной электронной и дырочной проводимостью получают введением легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.

При рабочих температурах Т ³ 900¸100 К целесообразны сплавы 20-30% Ge-Si, а при Т £ 600¸800 К - материалы на основе теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ показана на рис. 1.