Термоелектричні генератори

Існує й прямий спосіб перетворення теплової енергії в електричну енергію. В основі цього способу лежить відомий у фізику напівпровідників ефект Зеебека. Ефект Зеебека полягає у виникненні термоелектрорушійної сили в електричному колі, складеної з матеріалів з різною концентрацією носіїв заряду, місця з'єднань яких нагріті до різних температур.

Розглянемо механізм виникнення термоелектрорушійної сили в напівпровідникових матеріалах. Нехай напівпровідник n-типу провідності має форму довгого тонкого бруска з металевими контактами на обох кінцях. Якщо один з кінців напівпровідникового бруска має більш високу температуру в порівнянні з іншим кінцем, теплова енергія вільних електронів на цьому кінці вище, чим на холодному його кінці. Отже, ці більш енергійні електрони, будуть рухатись до холодного кінця в більшій кількості, чому у зворотному напрямку. У результаті такого переміщення холодний кінець напівпровідника буде заряджатися негативно, а нагрітий кінець, внаслідок відходу електронів, здобуває позитивний заряд. У випадку напівпровідника р- типу провідності на холодному кінці утворюється надлишок позитивного заряду, а на гарячому його кінці утворюється надлишок негативного заряду. Якщо напівпровідник ізольований, то в міру збільшення різниці потенціалів на його кінцях, зростає електричне поле, що перешкоджає подальшому поділу зарядів. Однак, якщо напівпровідник, у якому є різниця температур, становить частину замкненого електричного ланцюга, то процес поділу зарядів не припиняється й електричному кола протікає струм. В існуючих конструкціях, з метою одержання більших значень струму, електричне коло складається з напівпровідникових елементів n і р типів провідності. У цьому випадку струми збігаються по напрямкові й підсилюють один одного. На рис. 7.1. показаний

Рис. 7.1. Пристрій найпростішого термоелектрогенератора

пристрій найпростішого термоелектрогенератора, складеного із двох напівпровідникових матеріалів з різними типами провідності. Металева пластина, що з'єднує два напівпровідники, нагрівається яким або джерелом тепла (Ті >То). Два протилежні охолоджувані кінці напівпровідників з'єднані з ланцюгом навантаження (Rh). яке й використовує, створювану термоелементом, електроенергію. У цій конструкції, що генерує струм спрямований у напівпровіднику р - типу провідності від гарячого кінця до холодного, а в напівпровіднику п- типу провідності від холодного до гарячого. Якщо температура гарячих кінців термоелемента рівна Т₁, а холодних його кінців рівна То, то питома термоелектрорушійна сила (термо-е.р.с.) дорівнює сумі питомих термо-е.р.с. окремих його галузей:

Повну термо-е.р.с. елемента можна виразити за допомогою наступного виразу:

(7.1)

Струм, що протікає через навантажувальний опір:

(7.2)

Де: R_H - опір навантаження; R_o - внутрішній опір термоелемента.

Корисна потужність, яку можна одержати в навантаженні, визначається так:

(7.3)

Де U - напруга на навантажувальному опорі, який можна записати у вигляді:

(7.4)

Використовуючи вираження (2.7) - (4.7) одержимо:

(7.5)

Найбільше значення корисна потужність досягається за умови

(7.6)

Одним з основних параметрів термоелемента є коефіцієнт корисної дії . Цей коефіцієнт визначається як відношення корисної потужності до теплової енергії відновлюваної на гарячому кінцю термоелемента:

(7.7)

Величина коефіцієнта корисної дії термоелектрогенератора залежить від питомих термо-е.р.с. складових елементів; від коефіцієнта теплопровідності напівпровідникового матеріалута від його питомої електричної провідності :

(7.8)

При визначенні реальної величини коефіцієнта корисної дії необхідно враховувати наявність втрат тепла за рахунок теплопровідності до холодних кінців термоелектрогенератора, і втрати, обумовлені нагріванням струмом, що протікає. Реальні значення коефіцієнта корисної дії термоелектрогенератора лежать у межах 10-30%.

Окремі пари елементів термоелектричних генераторів генерують малу напругу. Для одержання необхідних значення струмів і напруг, окремі елементи з'єднуються в батареї послідовно - для одержання більших напруг і паралельно - для одержаннябільших струмів.

Рис. 7.2. Послідовне з'єднання термоелектрогенераторів

При такому послідовно-паралельному з'єднанні підвищується потужність, що віддається. На рис. 7.2. показаний приклад послідовного з'єднання елементів термоелектрогенераторів.

На рис. 7.3. показаний зовнішній вигляд одного з малопотужних термоелектрогенераторів, що випускається промисловістю. Цей термоелектрогенератор віддає в навантаження потужність близько 16 Вт, при наявності перепаду температур в 20-25 градусів, між його, що нагрівними й охолоджуваної поверхнями. Термоелектричні батареї мають наступні основні переваги перед іншими джерелами електроживлення: вони характеризуються тривалим терміном служби й практично необмеженим строком зберігання при повній

Рис. 7.3. Зовнішній вигляд одного з малопотужних термоелектрогенераторів

готовності до роботи в будь-який час, не вимагають спеціального обслуговування, стійкі в роботі, дають стабільна напруга, не бояться короткого замикання й режиму холостого ходу. Крім того, через відсутність частин, що рухаються, термоелектричні генератори повністю безшумні в роботі, що дає їм перевагу перед машинними джерелами постійної напруги. Завдяки цим властивостям термоелектричні генератори знаходять застосування в областях, де потрібні надійні джерела електроенергії, що володіють тривалим строком експлуатації й не потребуючі обслуговування: автоматичні метеостанції, морські маяки, автономні космічні апарати. V якості джерел тепла в них можуть використовуватися радіоактивні ізотопи або ядерні реактори. Для роботи автоматики газових свердловин застосовуються ТЕГ, що використовують перепад температур навколишнього середовища й газу зі скважини. Для котеджів і заміських будинків розроблений ТЕГ потужністю 200 Вт. Він являє собою газовий котел, що виробляє одночасне тепло для опалення й електроенергію. Цей генератор дозволяє забезпечити безперебійне електроживлення системи опалення (автоматики, циркуляційних насосів), що робить її повністю незалежної від зовнішньої електромережі. Крім того, цей пристрій може бути резервним джерелом електроживлення для широкого спектра побутових приладів. На рис. 7.4. показана конструкція цього термоелектричного генератора.

На цьому Рис.: 1 - підведення газу; 2 – газовий пальник; 3 - термоелектричні батареї; 4 - водяні теплообмінники; 5 – корпус генератора; б - система знімання генерованої електроенергії; 7 - вивід тепла Пристрій працює в такий спосіб: продукти згоряння природного газу, пропану або пропан - бутанової газової суміші нагрівають ребра термоелектричних батарей. Інші сторони батарей прохолоджуються водою. За рахунок утвореної різниці температур на кінцевих шинах батарей (+)

Рис. 7.4. Пристрій термоелектричного генератора

і (-) генерується електрична енергія. Потужність по електроенергії становить 200 Вт (постійний струм - 24 В), потужність по теплу - 6-8 кВт, загальний ККД досягає 90%. Термін служби - не менш 20 років. Габаритні розміри (орієнтовно) - 600x330x300 мм. Вага (орієнтовно) - 40 кг. У літературі описані й інші пристрої, що використовують термоелектричні батареї. Одне з таких пристроїв показано на рис. 7.5. Тут термоелектрична батарея, поміщена в гідроізоляційний корпус, установлюється на поверхні води. Різниця температур батареї, обумовлена нагріванням сонячного випромінювання й охолодженням потоком води, забезпечує генерацію електроенергії. Подібні установки найбільш ефективні при більших перепадах температур, як, наприклад, у морях: на глибині вода дуже холодна - близько 4С, а на поверхні нагрівається до 25 С, що становить приблизно 20 градусів різниці. Усі необхідні інженерні розробки вже проведені й випробувані експериментально (наприклад, в атола Каваратти в Лаккадивском архіпелазі близько південно-західного узбережжя Індії).

Схема електричної станції на термоелектричних перетворювачах, що використовує різницю температур морської води, показано на рис. 7.6. На цьому Рис.: 1 - корпус термоелектричної станції; 2 – батарея термоелектричних генераторів; Т₁, Т₂ - система впуску й випуску теплої води; Т₃, Т₄ - система впуску й випуску холодної води. У Японії, в Иокогамскому, університеті, була створена установка по виробництві водню з морської води, що представляє собою батареї термоелементів, що поглинають сонячні промені. Сонячна енергія за

Рис. 7.5. Гідроізольована термоелектрична батарея, встановлена на поверхні води

допомогою спеціальних лінз концентрується на кінцях термоелементів, а протилежні кінці прохолоджуються морською водою.

Виникаючий у термоелементах, внаслідок різниці температур, електричний струм розкладає воду на кисень і водень. Блок термоелементів площею 10 квадратних метрів може забезпечити одержання 10000 кубічних метрів водню в рік.

До недоліків електростанцій на основі термоелектричних перетворювачів ставляться досить висока вартість матеріалів, з яких виготовляються елементи, і необхідність ізолювати спаї від безпосереднього контакту з морською водою. При контакті з водою відбувається шунтування через воду сусідніх термоелементів елементів, і, отже, зниження потужності, видаваної в ланцюг навантаження. У свою чергу, ізолювання спаїв приводить до подорожчання перетворювачів і погіршенню їх показників. Роботи, виконані групою дослідників з університету Осаки (Японія), показують, що при відсутності ізолятора в кілька раз збільшується знімання корисної потужності. Однак необхідно мати на увазі, що в досвідах японських дослідників як носія енергії використовувалася не сама морська вода, а фтор-вуглеводні з'єднання.

Рис. 7.6. Схема ОТЕС на термоелектричних перетворювачах