Выработка электричества из тепла

Термоэлектрогенератор — это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).

Содержание

История изобретения термоэлектрогенераторов [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

• 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 атомного 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 и др).
• Градиентные: основанные на естественном перепаде температур между окружающей средой и помещением (оборудованием, технологическим трубопроводом с теплой транспортируемой 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.

Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии [ править | править код ]

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. 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 инструментом 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 [ править | править код ]

• Эффективный термоэлектрический материал: КПД преобразования, термо-ЭДС, пластичность, тонкоплёночное исполнение.
• Эффективный и совместимый с теплообменником жидкометаллическийтеплоноситель.
• 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 [3] :

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 [ править | править код ]

Термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов, предназначенных для исследования удаленных от Солнца регионов Солнечной системы. В частности, такие генераторы, использующие тепло плутониевых тепловыделяющих элементов установлены на космических аппаратах «Кассини» и «Новые горизонты». В последние годы термоэлектрические генераторы получили применение в автомобильной технике для рекуперации тепловой энергии, например для утилизации тепла элементов выхлопной системы.

Термоэлектрогенератор — это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).

Содержание

История изобретения термоэлектрогенераторов [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

• 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 атомного 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 и др).
• Градиентные: основанные на естественном перепаде температур между окружающей средой и помещением (оборудованием, технологическим трубопроводом с теплой транспортируемой 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.

Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии [ править | править код ]

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. 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 инструментом 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 [ править | править код ]

• Эффективный термоэлектрический материал: КПД преобразования, термо-ЭДС, пластичность, тонкоплёночное исполнение.
• Эффективный и совместимый с теплообменником жидкометаллическийтеплоноситель.
• 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 [3] :

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 [ править | править код ]

Термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов, предназначенных для исследования удаленных от Солнца регионов Солнечной системы. В частности, такие генераторы, использующие тепло плутониевых тепловыделяющих элементов установлены на космических аппаратах «Кассини» и «Новые горизонты». В последние годы термоэлектрические генераторы получили применение в автомобильной технике для рекуперации тепловой энергии, например для утилизации тепла элементов выхлопной системы.

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Обозначения:

• 1 – медный проводник.
• 2 – проводник из сурьмы.
• 3 – стрелка компаса.
• А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

• Варочной поверхности.
• Обогревателя.
• Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

• Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
• Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
• Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
• Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
• Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
• Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

• Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
• Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
• Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
• Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.