Термоэлектрогенератор

У этого термина существуют и другие значения, см. Генератор.

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.^[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

• 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.^[3] 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 узлов^[4]:

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

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

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.
• Термогенератор керосиновый // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. — М.: Советская энциклопедия, 1959.

Примечания

1. Термоэлектричество, эффект Пельтье, эффект Зеебека (недоступная ссылка)
2. Peltier. Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (New experiments on the heat effects of electric currents) (фр.) // Annales de Chimie et de Physique : magazine. — 1834. — Vol. 56. — P. 371—386.
3. Анатычук Л. И., Булат Л. П. Полупроводники в экстремальных температурных условиях. — СПб., Наука, 2001. — Тираж 1500 экз. — c. 179
4. МГД-генераторы и термоэлектрическая энергетика. Киев. «Наукова думка».1983.г.