Термоэлектрические преобразователи энергии

Из устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) небольшой мощ-ности применяются достаточно широко. Достоинства ТЭГ: отсутствие движущихся частей, нет необходимости в высоких давлениях, использу-ются любые источники теплоты, имеется большой ресурс работы.

В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, полученную в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, полученная в результате распада радиоактивных изотопов и деления ядер тяжелых элементов в реакторах, стала применяться в ТЭГ с конца 50-х годов.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека, сущ-ность которого состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактных материалов.

Для промышленных ТЭГ требуется температуру горячего спая довести примерно до 1100 ^оС. При таком повышении температуры полупро-водники различных типов проявляют тенденцию к превращению в собственно проводники, у которых числа носителей положительных и отрицательных зарядов равны. Эти заряды при создании градиента температуры перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве и, следовательно, накопления потенциала не происходит, т. е. не создается термо-ЭДС.

Для работы ТЭГа можно использовать теплоту, полученную в реакторах при делении ядер тяжелых элементов. При этом необходимо определить влияние элемента сильного рационального воздействия на полупроводниковый материал, т. к. ядерное горючее может находиться в непосредственном контакте с полупроводниковым материалом.

Следует отметить, что теория и практика классического термоэлектрического преобразования энергии уже в основном исчерпали себя и в последние десятилетия существенного прогресса здесь не наблюдается. Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки коммерческого генератора. Такие генераторы будут предназначены для всех тех областей, где сейчас применяются термоэлектрические генераторы, то есть для “малой энергетики”. Они будут обладать такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации, долговечность, малогабаритность, высокие энерговесовые характеристики. В преобразователях отсутствуют движущие части и необходимость создания больших градиентов температуры, что упрощает технологию их изготовления и удешевляет производство по сравнению как с термоэлектрическими, так и с другими энергоисточниками.

Для термоэлектрогенераторов экономически показано, что когда их КПД достигнет 15 % (сейчас реальные цифры менее 10 %), то они будут способны конкурировать со многими другими энергоисточниками. Могут быть созданы солнечные термоэлектрогенераторы, термоэлектрогенераторы на органическом топливе, изотопные и реакторные термоэлектрогенераторы (рабочий материал преобразователя обладает рекордно высокой радиационной стойкостью среди известных полупроводников). Благодаря сравнительно низкой рабочей температуре преобразователя перспективным представляется его использование для утилизации потерь тепловой энергии (двигатели внутреннего сгорания, сжигание мусора, ядерные отходы и др.). Они могут найти применение в объектах аэрокосмической, автомобильной, судостроительной, нефтяной промышленности и других областях, где необходимо наличие автономных источников электроэнергии.

Принцип действия термоэлемента основан на эффекте генерации электродвижущей силы при нагреве полупроводникового материала на основе сульфида самария (SmS) в условиях отсутствия внешних градиентов температуры. Возможны конструкции термоэлемента в двух вариантах: радиальном (рис. 4.3.1а) и плоском (рис. 4.3.1б). Радиальный вариант более функционален, а плоский – более технологичен.

Рис. 4.3.1. Конструкции термоэлементов: 1– металлическийй корпус;

2 – преобразующий элемент; 3 – электроды

Термоэлемент состоит из массивного металлического корпуса (теплонакопителя) 1, служащего для передачи тепла теплоносителя преобразующему элементу, поддержания преобразующего элемента в рабочем тепловом режиме во время скачков его температуры, сопровождающих процесс генерации, а также для защиты преобразующего элемента от внешних воздействий, преобразующего элемента 2 из монокристаллического либо поликристаллического SmS, легированного донорными примесями, металлических электродов 3.

Основные параметры термоэлементов:

· рабочие температуры: +130–500 ^оС;

· средний КПД в рабочем интервале температур ~ 40 %;

· генерируемое напряжение постоянное: 0,5–1,5 В;

· внутреннее электросопротивление: 0,1–1 Ом;

· вес около 10 г.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: