Обзор термоэлектрических генераторов

Знаете ли вы о том, что обычные печи или газовые плиты могут не только отдавать тепло, но и вырабатывать электричество? А то, что даже обычный костер туриста может стать источником хоть и небольшой, но такой необходимой электроэнергии? Все начинается с начала Удивительное устройство для таких чудес называется термоэлектрическим генератором (ТЭГ). Истоки изобретения уводят нас в далекий XIX век. Немецким ученым Томасом Зеебеком был проведен эксперимент.

Два провода из различных металлов были спаяны в замкнутое кольцо. При нагреве одного конца спайки в кольце появился ток. Однако открытие оценили не сразу, так как протекающий в кольце ток был мизерным, и его вполне хватало разве что для температурных измерений. Что и использовали на протяжении последующих ста лет в устройстве, называемом "термопарой". А спустя столетие, когда появился интерес к полупроводникам, все изменилось. В 30-е годы XX века Советским физиком А. Ф. Иоффе было спаяно полупроводниковое кольцо, в котором обнаружился ток приличной силы. Полупроводниковые кольца надевались на керосиновую лампу, получая тепло от соприкосновения с нагретым стеклом. Наружные концы охлаждались за счет большой реберной поверхности. С этого момента термоэлектрический генератор расширил свое применение.

Он активно использовался в местах, где совсем не было электричества. Например, в селах таким образом слушали радио. А на войне использовали термоэлектрический "партизанский котелок". Подогревая его на костре, получали электропитание портативных партизанских радиостанций. Сейчас перспектива использования термоэлектрических генераторов постоянно растет и совершенствуется.

Их применяют для питания автономных метеостанций, морских маяков, катодной защиты магистралей газо- и нефтепроводов (при отсутствии линий электропередач на трассе), термоэлектрических источников бесперебойного питания. А также в газовых котлах и плитах для приготовления пищи, дровяных печах, в автомобилях для экономии топлива, отопительных системах домов, для питания автоматики буровых скважин. Он по-прежнему востребован в походах, где энергии костра хватает для зарядки мобильного телефона или ноутбука.

Есть и удобные для такого случая модели, выполненные в виде котелка. А тепло радиоактивного распада и полураспада (например, стронция-90 или плутония-238) используют в термоэлектрических генераторах на радиоактивных элементах в космических аппаратах и объектах. Солнечные батареи используют только высокочастотную часть излучения, в то время как низкие частоты тепловой энергии расходуются впустую. Комбинированные солнечные/термоэлектрические системы эффективнее преобразуют солнечную энергию в электричество (дополнительная энергия ТЭГ расходуется на питание систем телеметрии, циркуляции теплоносителя, автоматики и пр. ) Но обо всем по порядку. Начнем с рассмотрения недостатков и преимуществ, которые характерны для ТЭГ любой сферы. О плюсах и минусах Итак, термоэлектрический генератор – это устройства прямого превращения тепловой энергии в электрическую.

Состоит из системы подвода тепла, термоэлектрической полупроводниковой контактно изолированной батареи (ТЭБ) и системы отвода тепла. Термоэлементы в генераторе между собой могут соединяться последовательно или параллельно. Электродвижущая сила в замкнутом кольце ТЭБ возникает из-за устойчивой разности температур полупроводниковых контактов, изготовленных из двух разнородных материалов. Таким образом, одна сторона должна быть горячей, а другая – холодной. Электроны горячей стороны начинают "вибрировать" более энергично, поэтому они имеют тенденцию двигаться к холодной стороне, где электроны "вибрируют" медленнее. Это движение и порождает электрический ток. Это так называемый эффект Пельтье-Зеебека.

В состав ТЭГ входят термоэлектрические батареи. Их преимущества в длительности срока службы и практически неограниченном сроке хранения при полной постоянной готовности к работе. Они не требуют спецобслуживания, в работе устойчивы, дают стабильное напряжение в течение очень долгого времени. Им не страшны короткие замыкания, а отсутствие движущихся частей делает их работу бесшумной. Минус только один – сравнительно низкий КПД работы (до 10%). Современные тонкопленочные и квантовые открытия позволят в будущем увеличить значение КПД до 15-20%. Интервал рабочих температур делит ТЭГ на низко- (20-300°C), средне- (300-600°C) и высокотемпературные (600-1000°C). От температурного режима зависит и выбор материалов. Это может быть теллурид висмута, теллурид свинца, кальций оксид марганца, кремний, германий, редкоземельные соединения алюминия, магний олово и другие.

Автомобильные термоэлектрические генераторы Автомобильный термоэлектрический генератор представляет собой устройство, которое преобразует тепло двигателя внутреннего сгорания и тепло выхлопных газов в электричество. Основная цель использования – производство электрического тока для питания электрических систем автомобиля и зарядки батареи – конечно, это не много, но вполне достаточно, чтобы уменьшить нагрузки двигателя и сократить расход топлива. ТЭГ прикрепляют к наружной поверхности выхлопной трубы. Горячая сторона нагревается высокотемпературными газами, а охлаждение происходит за счет движения воздуха, создаваемого при движении автомобиля. Ранние прототипы производили около 600 Вт и снижали расходы топлива на 5%. Такие производители как BMW Chevrolet Volkswagen и General Motors работают над созданием высокоэффективных жаростойких ТЭГ, которые можно будет устанавливать в систему двигателя, где температура достигает 1000°C, что позволит экономить еще больше топлива (до 10%).

А также замена электрического генератора на ТЭГ (вместо механической энергии используется тепловая энергия двигателя) увеличивает экономию топлива еще на 4%. Недостатками являются насосные потери (так называемое обратное давление), что снижает производительность двигателя и дополнительная нагрузка на радиатор из-за того, что в теплоноситель передается большее количество тепла.

Открытым остается вопрос и относительно стоимости. Термоэлектрические генераторы с более высоким КПД и более высокого качества – более дорогие. И иногда замена может превысить экономию топлива. Бытовые термоэлектрические генераторы Растет и интерес к использованию модулей ТЭГ и в быту. Это возможность локального освещения, зарядки аккумуляторов сотовых и спутниковых телефонов, ноутбуков, эхолотов, автомобилей, видеокамер, устройств автоматики, обеспечение электроэнергией магнитофонов, миникомпьютеров, телевизоров … от имеющихся тепловых устройств.

Очень востребовано дачниками, садоводами, охотниками, туристами, моряками, спасателями, которые длительное время находятся вдали от источников электроснабжения. При разогреве, например, на газовой плите, печи, газовой или бензиновой горелке, керогазе, костре или примусе получается температурный перепад, который генерирует электрический ток. Технически это может выглядеть как алюминиевый ковшик объемом 1 л или котелок на 5 л (например, модели 1TG-8, В25-12, ГТУ-12-12).

Нагретую воду используют для приготовления пищи, а электроэнергией подзаряжают необходимые элементы питания. К такому генератору прилагается стабилизатор напряжения на 3-6-9-12 B и переходник для зарядных устройств. Почвенные термоэлектрические генераторы Почвенные бытовые термоэлектрогенераторы преобразуют тепловую энергию почвы в электрическую.

Они успешно используются для автономных систем, питания датчиков и сигнальных устройств, а также в системах охранной сигнализации. Корпус таких ПТЭГ выполнен из гидро- и биоустойчивого материала с применением антикоррозионной защиты концентраторов. Газовые термоэлектрические генераторы Газовые термоэлектрические генераторы, например, ПТГ-30-12, ПТГ-150Н, GTE (V) для обеспечения электроэнергией используют тепло продуктов сгорания газа.

Это может быть природный газ, пропан, метан, пропан-бутановая смесь или попутный газ. Используются для питания маломощных потребителей, средств радиорелейной связи, катодной защиты газовых трубопроводов, работы контрольно-регулирующей аппаратуры. ТЭГ как основа бесперебойного электропитания систем отопления Такой бесперебойный источник питания, называемый генератором термоэлектрическим для отопительных систем (ГТОС), используется для непрерывного электропитания отопительных систем (насосов, автоматики) и/или работает как резерв при отключении центральной подачи электроэнергии. Это компактный котел с горелкой (газовой или твердотопливной) и встроенными термоэлектрическими батареями. Такие котлы вырабатывают и тепло, и электроэнергию.

КПД работы – 90%. Если сравнивать ГТОС с "бесперебойками" на аккумуляторах, то есть ряд преимуществ. Первое - непрерывное и независимое от электросети обеспечение электроэнергией автоматики газового котла, циркуляционных насосов весь отопительный сезон. Второе - экономия электроэнергии. Третье – дополнительный нагрев и уменьшение циклов зажигания основного котла продлевает срок его службы. И, наконец, это непрерывно действующий, доступный в любое время источник для работы освещения, зарядки аккумуляторов приборов, питания охранной и противопожарной систем, бытовых приборов при отключениях света.

Дополнительное тепло может использоваться для подачи горячей воды или как компенсация теплопотерь системы горячего водоснабжения. Теплоэлектрический генератор для отопительных систем состоит из газовой горелки, силовой рамы, теплообменников, термоэлектрических батарей (ТЭБ), соединительных труб, кожуха и элементов сжатия. ТЭГ для измерения тепловых потоков Термоэлектрические модули распространены как тепломеры.

Они используются для измерения плотности потока, измерения и контроля тепловой работы двигателей, приборов и механизмов, определяют тепловые потери, коэффициент теплопроводности. Вычисляют теплопроводность биологических объектов, используются как дозиметры, контроллеры в автоматизации технологических процессов. Основа ТЭГ как тепломера – метод вспомогательной стенки, устанавливаемой на пути исследуемого потока. Роль стенки при использовании ТЭГ играет полупроводниковое вещество. Перепад температур определяют непосредственно по выходному генерируемому модулем напряжению. Термоэлектрические генераторы на органическом топливе Эти генераторы повсеместно используются в нефтегазовой, сельскохозяйственной промышленности, метеорологии, навигации и в быту. Используют тепло от сгорания органического твердого, жидкого и газообразного топлива.

Это могут быть низкотемпературные ТЭГ (УГМ-80М, УГМ-80), двухкаскадные ТЭГ (ГТГ-150) с инфракрасными горелками (мощность 80-150 ВТ), низкотемпературные ТЭГ с каталитическими горелками (мощность 10-90 Вт), среднетемпературные ТЭГ (мощность 30-550 Вт), автономные источники питания (АИП, мощностью от 6 до 900 Вт). РТЭГ - реакторные термоэлектрические генераторы Сочетание термоэлектрических генераторов и в качестве источников тепла - ядерных реакторов. По способу теплопередачи могут быть вынесенными (ТЭГ за пределами реактора), встроенными (в одном блоке) и промежуточные (тепло от реактора идет по тепловым трубам).

Холодные спаи охлаждаются хладагентами или изучением. РИТЭГ – радиоизотопный термоэлектрический генератор Преобразует в электричество тепло естественного распада радиоактивных изотопов. Применяется в местах, где использование других электроисточников технически или экономически недоступно. Например, в радиомаяк, в маяках, метеостанциях, навигационном оборудовании, для очень длительной работы роботов (недоступной топливным элементам и аккумуляторам). РИТЭГи используются космическими спутниками и кораблями удаленной миссии при полетах вдали от Солнца при неэффективности использования солнечных батарей (например, аппараты "Кассини-Гюйгенс", "Вояжер", марсоход Curiosity). РИТЭГи служат 10-30 лет и для безопасности подлежат утилизации для сдерживания распада радиоизотопов.

Наиболее часто используют плутоний-238, стронций-90 и кюрий-244. Термоэлектрические генераторы постоянного тока Термоэлектрические генераторы постоянного тока, например, KIBOR (мощность 500Вт/напряжение 48В) используются для всех типов станций с температурой выше 350°C. Это газовые и угольные ТЭЦ, газотурбинные ТЭЦ, бензиновые и дизельные мини электростанции, электростанции на пеллетах, топливных элементах, биогазе и органических отходах.

Эффективность таких ТЭГ снижается за 30 лет всего лишь на 30%. Термоэлектрический генератор можно собрать и самостоятельно. Всемирная паутина представляет и статьи и видео с подробными пошаговыми описаниями сборки. Только главный элемент – термоэлектрический модуль придется все-таки купить. Но, в общем, такой генератор все равно будет дешевле фирменных вариантов..