Термоэлектрические генераторы

 

В качестве устройства для прямого превращения теплоты в электри­ческую энергию применяют термоэлектрические генераторы, которые используют принцип работы обычных термопар (рис. 8.76).

Рис. 8.76. Принцип работы обычных термопар.

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) - это устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием полупроводниковых термоэлементов (рис. 8.77), соединённых между собой последовательно или параллельно.

Рис. 8.77. Полупроводниковые термоэлементы.

В термоэлектрическом генераторе для получения электричества используется эффект Зеебека, который заключается в появлении электродвижущей силы в замкнутой цепи из двух разнородных материалов, если места контактов поддерживаются при разных температурах. Возникновение эффекта связано с тем, что энергии свободных электронов или дырок в полупроводниковом материале зависят от температуры (рис. 8.78).

Рис. 8.78. Движение электронов и дырок в материале при нагреве.

 

Рис. 8.79. Появление термоЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных

материалов, если места контактов имеют разные 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 (рис. 8.79).

В состав термоэлектрических генераторов входят термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов, соединенных последовательно или параллельно и теплообменники горячих и холодных спаев термобатарей. Принципиальная схема электрической цепи полупроводникового термоэлектрического генератора включает в себя полупроводниковый термоэлемент, состоящий из ветвей (вырезанных из кристаллов небольших прямоугольных элементов) p- и n-типа проводимости, то есть обладающими разными знаками коэффициента термоэлектродвижущей силы, коммутационные пластины горячего и холодного спаев и активную нагрузку (рис. 8.80).

Рис. 8.80. Устройство полупроводниковых термоэлементов.

В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку в цепи течет постоянный ток, обусловленный эффектом Зеебека (рис. 8.81). Этот же ток вызовет выделение и поглощение теплоты Пельтье на спаях p- и n- ветвей термоэлемента с металлическими пластинами. Это движение носителей происходит от горячих спаев к холодным, что соответствует поглощению на горячих спаях теплоты Пельтье.

Рис. 8.81. Эффект Зеебека.

 

Полупроводниковые материалы, использующиеся в таких генераторах, должны иметь как можно больший коэффициент термоЭДС, хорошую электропроводность и, для того, чтобы получить значительный перепад температуры между холодными и горячими спаями кристаллов, малую теплопроводность. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют сильно легированные полупроводниковые материалы.

КПД термоэлемента определяется температурами горячего и хо­лодного спаев и свойствами материалов, из которых выполнен термо­элемент - их термо­электродвижущей силой на 1 градус, теплопроводно­стью и удельным электри­ческим сопротивлением. На величину КПД термоэлемента оказывает также влияние отношение величины его внут­реннего омического сопротивления к со­противлению присоединенной внешней нагрузки.

Чаще всего для изготовления термоэлементов применяют твердые растворы на основе халькогенидов элементов V группы. Так как для работы в термоэлектрическом генераторе не нужна высокая чистота применяемых материалов, то генераторы бывают относительно дешевы и успешно работают в условиях проникающей радиации. Для разогрева таких генераторов могут быть использованы:

 - побочная теплота - солнечный свет, стенка разогревающейся при работе установки (рис. 8.82);

теплота от специального генератора - газовой или керосиновой горелки, атомного реактора (рис. 8.83).

 

Рис. 8.82. Использование теплоты солнечного излучения.

Рис. 8.83. Использование теплоты от специального генератора.

Термоэлектрические генераторы применяются для энергоснабжения удаленных и труднодоступных потребителей электроэнергии -автоматических маяков, навигационных буев, метеорологических станций, активных ретрансляторов, космических аппаратов, станций антикоррозионной защиты газо- и нефтепроводов (рис. 8.84-8.85).

 

Рис. 8.84. Реклама энергопечи, позволяющей получать электроэнергию.

Рис. 8.85. Термоэлектрическое нагревательное устройство для космонавтов.

Термоэлектрические генераторы обладают рядом преимуществ перед традиционными электромашинными преобразователями энергии, например турбогенераторами, отсутствием движущихся частей, бесшумностью работы, компактностью, легкостью регулировки, малой инерционностью. Недостатком термоэлектрических генераторов является низкий КПД – от 1% до 10% (рис. 8.86).

Рис. 8.86. Проблема низких КПД термоэлектрических генераторов.

 

Несмотря на это термоэлектрические генераторы нашли широкое применение для питания переносных устройств электроники, что объясняется простотой их эксплуатации, высокой надежностью и относительно небольшой стоимостью.

4.3. Термоэмиссионные методы преобразования теплоты

В электрическую энергию

 

Термоэмиссионный преобразователь – это преобразователь тепловой энергии в электрическую на основе использования эффекта термоэлектронной эмиссии. Представляет собой ламповый диод, к эмиттеру которого подводится теплота, нагревая его до высокой температуры. Для нейтрализации влияния поля объемного заряда и увеличения термоэмиссии путем снижения работы выхода катода в колбу прибора вводятся пары цезия. По сравнению с другими методами преобразования тепловой и химической энергии в электрическую термоэмиссионный метод имеет следующие преимущества: самые низкие весовые характеристики на единицу выходной мощности и возможность работы при высокой температуре холодильника (анода), отсутствие в них движущихся частей, высокая надёжность, компактность, возможность эксплуатации без систематического обслуживания.

Схема простейшего термоэмиссионного устройства показана на рис. 8.87. Преобразователь состоит из двух электродов: К - катода, на­греваемого от по­стороннего источника тепла до Т₁ ≈ 1400 °К, и А - ано­да, от которого отводится теплота холодному источнику при температуре Т₂ ≈ 700 °К. При T₁ >T₂ элек­т­роны при высокой температуре катода на­чинают эмиссировать в межэлектрод­ное пространство по направлению к аноду. Количество энергии выхода при эмиссии их с катода больше выделяемой при оседании электронов на холодном аноде. Эту раз­ницу в энергии используют во внешней цепи и тем самым пре­вращают теплоту в электричество. Межэлектродное пространство играет в устрой­стве этого типа большое значение. Для увеличения количества тепла, пре­вращаемого в электричество, в межэлектродном пространстве, создают вакуум, но при этом в нем образуется пространствен­ный заряд, т. е. скопление электронов, тормозящих их движение.

Рис. 8.87. Схема термоэмиссионного устройства.

Для уменьшения влияния пространственного заряда расстояние между электродами уменьшают до ~1-10 мкм. Дополнительно нейтрализацию про­странственного заряда можно обеспечить, добавляя в находящееся под вакуумом меж­электродное пространство пары щелочных металлов (цезия и др.). В этом случае межэлектродное пространство начинает ионизироваться и эмиссия электронов увеличивается.

 

Топливные элементы

 

Топливный элемент – это электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в галь ваническом элементе или аккумуляторе.

 

Рис. 8.88. Некоторые топливные элементы.

Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные процессы горения, идущие с большими потерями. Они в результате химической реакции преобразовывают водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество теплоты. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию. Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 году. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. До недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.

 

 

Рис. 8.89. Устройство топливного элемента.

 

В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, теплоту и воду.

Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

Топливные элементы не имеют движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. То есть они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами могут стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.

Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электрических систем в автомобиле.

Есть несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита.

Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие - для портативных устройств или для привода автомобилей.