Преобразование тепловой энергии в электрическую

Дальнейшее чтение [ править ]

vтеЭнергия
Контур История Индекс
Основные концепции	Энергия Сохранение энергии Энергетика Преобразование энергии Энергетическое состояние Энергетический переход Уровень энергии Энергетическая система Масса Отрицательная масса Эквивалентность массы и энергии Мощность Термодинамика Квантовая термодинамика Законы термодинамики Термодинамическая система Термодинамическое состояние Термодинамический потенциал Термодинамическая свободная энергия Необратимый процесс Термальный резервуар Теплопередача Теплоемкость Объем (термодинамика) Термодинамическое равновесие Тепловое равновесие Термодинамическая температура Изолированная система Энтропия Свободная энтропия Энтропическая сила Негэнтропия Работа Эксергия Энтальпия
Типы	Кинетический Внутренний Термический Потенциал Гравитационный Эластичный Электрическая потенциальная энергия Механический Межатомный потенциал Электрические Магнитный Ионизация Сияющий Привязка Энергия связи ядра Гравитационная энергия связи Энергия связи квантовой хромодинамики Тьма Квинтэссенция Фантом Отрицательный Химическая Отдых Звуковая энергия Поверхностная энергия Энергия вакуума Нулевая энергия Квантовый потенциал Квантовая флуктуация
Энергоносители	Радиация Энтальпия Механическая волна Звуковая волна Топливо Высокая температура Работа Электричество Аккумулятор Конденсатор
Первичная энергия	Ископаемое топливо Каменный уголь Нефть Натуральный газ Ядерное топливо Энергия излучения Солнечная Ветер Гидроэнергетика Морская энергия Геотермальный Биоэнергетика Гравитационная энергия
Компоненты энергетической системы	Энергетика Нефтеперегонный завод Электроэнергия Электростанция на ископаемом топливе Когенерация Комбинированный цикл интегрированной газификации Атомная энергия Атомная электростанция Радиоизотопный термоэлектрический генератор Солнечная энергия Фотоэлектрическая система Концентрированная солнечная энергия Солнечная тепловая энергия Башня солнечной энергии Солнечная печь Ветровая энергия Ветряная электростанция Энергия ветра, переносимая воздухом Гидроэнергетика Гидроэлектроэнергия Волновая ферма Приливная сила Геотермальная энергия Биомасса
Использование и поставка	Потребление энергии Хранилище энергии Мировое потребление энергии Энергетическая безопасность Энергосбережение Эффективное использование энергии Транспорт сельское хозяйство Возобновляемая энергия Устойчивая энергия Энергетическая политика Энергоснабжение по всему миру Южная Америка Соединенные Штаты Америки Мексика Канада Европа Азия Африка Австралия
Разное.	Парадокс джевонса Углеродный след
Категория Commons Портал ВикиПроект

Авторитетный контроль	GND : 4152239-4 LCCN : sh2003003700

Шаг 3: Тестирование теплогенератора

Я использовал для теста термоэлектрического генераторного модуля одну маленькую свечку внутри оловянной банки, покрытой изоляционной лентой и подставку из металлического корпуса компьютерного вентилятора. В зависимости от количества тепла, мощность будет медленно подниматься и продолжать расти до заданного напряжения.

Также на эффективность влияет охлаждение радиатора, в холодный день радиатор будет остывать быстрее. К устройству могут быть подключены топливная или ракетная печь, этим можно заряжать аккумуляторы или электронные устройства.

На самом деле эта вещь не подходит для повседневного использования, поскольку элемент Пельтье рано или поздно сломается и сделает устройство неэффективным. В любом случае, оно может использоваться для получения электроэнергии в походе, при экстренных случаях и т.д.

Смотрите видео для тестов и показаний напряжения и скорости его подъема. Тест дома с питанием от свечки. Второй тест с маленькой печкой, в котором видно, что если непрерывно подавать топливо, то за 3-4 минуты можно зарядить батарею или две.

Изготовление своими руками

Производить электрогенераторы на дровах стали совсем недавно, поэтому цены на них довольно высокие. Это подстегивает умельцев делать такие приспособления самостоятельно. Основа генератора – элемент Петелье, то есть термоэлектрический преобразователь, который можно купить. Если вам нужна небольшая щепочница, то подойдет элемент Петелье, извлеченный из старого компьютера.

Понадобится стабилизатор напряжения, модуль с выходом USB, корпус, кулер для охлаждения.

Репортаж про один из вариантов данного устройства

[su_youtube url=»https://www.youtube.com/embed/-bCVMh5iXAQ?feature=oembed»]

Термоэлектрический генератор своими руками (140 фото): поэтапная инструкция создания теплового насоса, схемы, проекты, применение

В наши дни основная часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях или ТЭС. Однако эти предприятия пользуются различными видами ископаемого топлива, которые требуется сжечь, чтобы получить электроэнергию, а продукты сгорания наносят вред окружающей среде.

Кроме этого, проблема заключается в том, что резервы угля и газа отнюдь не безграничны и в конце концов они закончатся. Все-таки на настоящие момент ТЭС вырабатывают топливо с наименьшими издержками по сравнению с иными способами.

Однако альтернативные методы выработки электричества все же развиваются, в их числе и термоэлектрические генераторы, сокращенно ТЭГ.

Даже по некоторым фото термоэлектрического генератора несложно понять, что это устройство может иметь небольшие размеры, если вести речь о моделях для дома. Подобный ТЭГ обычный человек может смастерить собственноручно.

Приливная энергетика

Используетсяэнергия приливов и отливов Мировогоокеана.

Двараза в сутки уровень в океане топоднимается, то опускается. Это происходитпод действием гравитационных сил солнцаи луны, которые притягивают к себе водыокеана.

Уберега разность уровней воды приливаи отлива достигают более 10 метров. Еслив заливе на берегу моря, в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилищеможно создать запасы воды во времяприливов. А при отливе воду пропускаютчерез гидротурбины, в результате энергияпреобразуется в электрическую.

Недостатки:

Дороговизна строительстваНеравномерность выработки электроэнергии

Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах

Термоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на комплексном использовании эффекта трех ученых (Зеебека, Томсона, Пельтье), получили свое развитие почти через 150 лет после открытий, намного опередивших свое время.

Термоэлектрический эффект заключается в следующем явлении. Для охлаждения или генерации электричества используется «модуль» состоящий из электрически связанных пар. Каждая пара состоит из полупроводникового материала р (S> 0) и n (S

Если выбранные материалы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, этот тепловой поток, создаваемый движением носителей заряда, будет больше теплопроводности. Поэтому система передаст тепло от холодного источника к горячему и будет действовать как холодильник. В случае генерации электричества тепловой поток вызывает смещение носителей заряда и появление электрического тока. Чем больше разность температуры, тем больше электричества можно получить.

Преимущества и недостатки газотурбинной электростанции

Конструкция газотурбинной электростанции намного проще, чем паротурбинная электростанция. Размер газотурбинной электростанции меньше, чем у паротурбинной электростанции. На газотурбинной электростанции нет котельного компонента, и, следовательно, система менее сложная. Отсутствует пар, поэтому не требуются конденсатор и градирня.

Проектирование и строительство мощных газотурбинных электростанций намного проще и дешевле, капитальные затраты и эксплуатационные расходы в значительной степени меньше стоимости аналогичной паротурбинной электростанции.

Постоянные потери на газотурбинной электростанции значительно меньше по сравнению с паротурбинной электростанцией, поскольку в паровой турбине силовая установка котла должна работать непрерывно, даже когда система не подает нагрузку в сеть. Газотурбинная электростанция может быть запущена практически мгновенно.

Недостатки газотурбинной электростанции:

1. Механическая энергия, создаваемая в турбине, также используется для запуска воздушного компрессора.
2. Поскольку основная часть механической энергии, создаваемой в турбине, используется для управления воздушным компрессором, общая эффективность газотурбинной электростанции не такая высокая, как эквивалентная паротурбинная электростанция.
3. Выхлопные газы в газотурбинной электростанции сильно отличаются от котла.
4. До фактического запуска турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует дополнительного источника питания для запуска газотурбинной электростанции.
5. Температура газа достаточно высока на газотурбинной электростанции. Это приводит к тому, что срок службы системы меньше, чем у эквивалентной паровой турбины.

Из-за более низкой эффективности газотурбинная электростанция не может использоваться для коммерческого производства электроэнергии, она обычно используется для подачи вспомогательной энергии на другие обычные электростанции, например, такие как гидроэлектростанция.

Характеристики тепловой энергии

Это энергия, которая вмешивается в различные теплотворные процессы, происходящие при контакте тел с разной температурой. Пока тела поддерживают трение между собой, эта энергия будет передаваться от одного тела к другому. Вот что происходит, например, когда мы кладем руку на поверхность. Спустя некоторое время, поверхность будет иметь температуру руки, потому что он дал это ему.

Прирост или потеря этой внутренней энергии во время процесса это называется теплом. Тепловую энергию получают разными способами. Следовательно, каждое тело, имеющее определенную температуру, имеет внутри внутреннюю энергию.

Примеры тепловой энергии

Рассмотрим подробнее источники получения тепловой энергии:

• Природа и Солнце Это два источника энергии, которые обеспечивают внутреннюю энергию телам. Например, когда утюг постоянно находится на солнце, его температура повышается, потому что он поглощает внутреннюю энергию. К тому же звездный король — ярчайший пример тепловой энергии. Это самый крупный известный источник тепловой энергии. Животные, которые не могут регулировать свою температуру, используют для этого преимущества этого источника энергии.
• Кипящая вода: По мере повышения температуры воды тепловая энергия всей системы начинает умножаться. Пришло время, когда повышение температуры тепловой энергии вынудило воду к фазовому переходу.
• Камины: энергия, производимая в дымоходах, происходит за счет увеличения тепловой энергии. Здесь поддерживается сжигание органических веществ, чтобы в доме было тепло.
• Нагреватель: служит для повышения температуры воды аналогично тому, как мы кипятим.
• Экзотермические реакции которые происходят из-за сжигания некоторого топлива.
• Ядерные реакции что происходит ядерное деление. Это также происходит, когда происходит слияние ядер. Когда два атома имеют одинаковый заряд, они соединяются, образуя более тяжелое ядро, и во время процесса выделяют большое количество энергии.
• Эффект джоуля происходит, когда в проводнике циркулирует электрический ток, и кинетическая энергия электронов преобразуется во внутреннюю энергию в результате непрерывных столкновений.
• Сила трения Он также генерирует внутреннюю энергию, поскольку также происходит обмен энергией между двумя телами, будь то физический или химический процесс.

Солнечная энергия

Преобразованиесолнечной энергии в электрическуюпроисходит с помощью:

ТурбогенераторовСолнечных элементов

Однаков обоих случаях необходимо иметьсобирающее устройство солнечной энергии,которое бывает в виде плоского иливогнутого зеркала. Температура наповерхности зеркала достигает более30000.

Воснову солнечной батареи входят кристаллыкремния, которые покрыты тончайщийпрозрачным для света слой металла.

Потомсолнечных фотонов проходит сквозь слойметалла и выбивает электроны из кристалла.Эти электроны концентрируются наповерхности металлов. Между слоемметалла и кристаллом кремния возникаетразность потенциалов.

Приусловии соединения 1000 фотоэлементовпараллельно – получится солнечнаябатарея, способная питать электроэнергиейпомещение.

Будущее:

Как создавались термогенераторы

Уже в середине 19 века делались многочисленные попытки для создания термогенераторов – устройств для получения электрической энергии, то есть для питания различных потребителей. В качестве таких источников предполагалось использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов. Конструкция такой батареи показана на рис. 2.

Рис. 2. Термобатарея, схематическое устройство

Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом. В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.

Но все эти опыты, хотя и удачные, были обречены на провал, поскольку термобатареи, созданные на основе термоэлементов из чистых металлов, имели весьма низкий КПД, что сдерживало их практическое применение. Чисто металлические пары имеют КПД лишь несколько десятых долей процента. Намного большим КПД обладают полупроводниковые материалы: некоторые окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Развитие солнечной энергетики

Как уже отмечалась, цифры отражающие сегодня характеристики развития солнечной энергетики стабильно растут. Солнечная панель давно перестала быть термином узкого круга технических специалистов и сегодня о солнечной энергетике не только говорят, но и получают прибыль от реализованных проектов.

В сентябре 2008 года было завершено строительство солнечной электростанции расположенной в Испанском муниципалитете Ольмедилья-де-Аларкон. Пиковая мощность электростанции Olmedilla достигает 60 МВт.

Солнечная станция Olmedilla

В Германии эксплуатируется солнечная станция Waldpolenz, которая находится в Саксонии, в районе городов Брандис и Бенневиц. Пиковая мощность этой станции составляет 40 МВт, благодаря чему она входит в число крупнейших солнечных электростанций мира.

Энергия ветра

Ветер– это преобразованная солнечная энергия.

Солнечныелучи прогревают Землю, а отраженные –воздух. Интенсивность прогреваниявоздуха увеличивается с понижениемвлажности почвы. Так воздух в пустынеполучает от раскаленного песка в 130 разбольше тепла, чем от поверхности океанатой же широты.

Перемещениевоздушных масс происходит в вертикальномнаправлении под действием силы притяженияЗемли (более холодный стремится вниз,а теплый – наверх) и в горизонтальномнаправлении ( направление перемещениявоздушных масс зависит от неравномерностипрогрева земно поверхности).

Преобразованиеветровой энергии в электрическую.

Поднапором ветра вращается ветроколесо слопастями, передавая крутящий моментчерез систему передач валу генератора,вырабатывающий электроэнергию. Чембольше диаметр ветроколеса, тем большевоздушный поток, который захватываетсяи тем больше энергии вырабатывается.

Положительныйэффект:

Недостаток:

Низкое КПДНебольшая мощностьШумВибрацияЗанимает большие площади

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. 11. 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. 11. 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.

Конструкция термогенератора

Как уже было сказано, термогенератор предназначался для использования в сельской местности, где для освещения использовались керосиновые лампы «молния». Такая лампа, оснащенная термогенератором, становилась не только источником света, но и электричества. При этом дополнительных затрат топлива не требовалось, ведь в электричество превращалась именно та часть керосина, которая просто улетала в трубу. К тому же, такой генератор был всегда готов к работе, конструкция его была такова, что ломаться в нем просто нечему. Генератор мог просто лежать без дела, работать без нагрузки, не боялся коротких замыканий. Срок службы генератора, по сравнению с гальваническими батареями, казался просто вечным.

Роль вытяжной трубы у керосиновой лампы «молния» играет удлиненная цилиндрическая часть стекла. При использовании лампы совместно с термогенератором стекло делалось укороченным, и в него вставлялся металлический теплопередатчик 1, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

Внешняя часть теплопередатчика имеет форму многогранной призмы, на которой установлены термобатареи. Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи теплопередатчик внутри имел несколько продольных каналов. Проходя по этим каналам горячие газы уходили в вытяжную трубу 3, попутно нагревая термобатарею, точнее, ее горячие спаи. Для охлаждения холодных спаев использовался радиатор воздушного охлаждения. Он представляет собой металлические ребра, прикрепленные к внешним поверхностям блоков термобатарей.

Термогенератор – ТГК3 состоял из двух независимых секций. Одна из них вырабатывала напряжение 2В при токе нагрузки до 2А. Эта секция использовалась для получения анодного напряжения ламп с помощью вибропреобразователя. Другая секция при напряжении 1,2В и токе нагрузки 0,5А использовалась для питания нитей накала ламп.

Нетрудно подсчитать, что термогенератор имел мощность не превышающую 5 Ватт, но для приемника ее вполне хватало, что позволяло скрашивать долгие зимние вечера. Сейчас, конечно, это кажется просто смешным, но в те далекие времена такое устройство было, несомненно, чудом техники.

Световая

В лампах рефлекторов электричество трансформируется в движение фотонов, в свет, а тот, в свою очередь, поглощается поверхностью дороги и превращается в тепло, то есть в кинетическую форму молекул.

Вселенная состоит из частиц и фотонов представляющих собой кванты световой волны или электромагнитного излучения. Это основные элементарные частицы. Между ними беспрестанно происходит обмен энергией. Например, вещество постоянно излучает фотоны и одновременно поглощает их. Другие процессы где происходит преобразование энергии  между этими составными Вселенной являются аннигиляция и материализация.

Несмотря на различные изменения в космическом пространстве, энергия не может исчезнуть или возникнуть из ничего. Она лишь меняет свою форму, а ее количество остается неизменным.

Это важное свойство называется законом сохранения энергии.

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

Шаг 4: Улучшения

Возможные следующие модернизации устройства:

1. Добавьте еще одну ячейку Пельтье чтобы удвоить выход напряжения.
2. Подключите Joule Thief или несколько для небольшого увеличения напряжения.
3. Используйте более качественные теплопроводные материалы, больший радиатор и более толстую алюминиевую или медную плиту в качестве основы.
4. Можно качественнее закрепить ячейку Пельтье при помощи медной проволоки или термопасты, что улучшит перенос тепла.
5. Используйте ракетную печь вместо открытых источников огня. Жар ракетных печей локализован, что будет эффективнее заряжать устройства.
6. Используйте несколько связанных друг с другом устройств, соединив их последовательно над источником огня, чтобы увеличить выход напряжения.
7. Можно улучшить термоизоляцию на проводах, фольге и изоляционной ленте (ракетные печи, как правило, немного плавят провода)
8. Сделать запас компонентов и деталей (если что-то сломается или прогорит, всегда можно будет починить устройство)

Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.

Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии

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.

Газовая альтернатива

В отличие от «ядерных котелков», термоэлектрогенераторы, работающие на тепле сгорающего газа, — актуальное, развивающееся и сегодня направление локальной энергетики. Аппараты, габаритами приблизительно с 200-литровую бочку, способны успешно выполнять роль РИТЭГов в качестве автономных источников тока в необитаемых местах без использования радиоактивных материалов.

К примеру, вдоль большинства газопроводов обязательно с определенным интервалом размещаются станции катодной защиты, узлы с автоматикой, задвижками и т.п. Для питания этого оборудования вдоль трубы приходится тянуть линию электропередачи. ЛЭП представляет собой головную боль для газовщиков, поскольку на большом протяжении провода проходят по ненаселенным районам, там, где энерголинии трудно обслуживать и ремонтировать после ударов стихии.

Если же в необходимых местах возле трубы расставить будки с термоэлектрогенераторами внутри и питать их газом из той же трубы через небольшие отводы, то электричество будет генерироваться непосредственно по месту. Не придется тянуть издалека провода, которые боятся ураганов, ледяных дождей и падающих деревьев.

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.

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.

Эффективность ТЭГ

Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:

1. Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
2. Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.

Термин «эффективность термоэлектрических генераторов» аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.

Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.

Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.

Полупроводниковые термоэлементы

Подлинную революцию в создании термоэлементов произвели труды академика А.И. Иоффе. В начале 30 – х годов XX столетия он выдвинул идею, что с помощью полупроводников возможно превращение тепловой энергии, в том числе и солнечной, в электрическую. Благодаря проведенным исследованиям уже в 1940 году был создан полупроводниковый фотоэлемент для преобразования световой солнечной энергии в электрическую. Первым практическим применением полупроводниковых термоэлементов следует считать, по-видимому, «партизанский котелок», позволявший обеспечить питанием некоторые портативные партизанские радиостанции.

Основой термогенератора служили элементы из константана и SbZn. Температура холодных спаев стабилизировалась кипящей водой, в то время как горячие спаи нагревались пламенем костра, при этом обеспечивалась разница температур не менее 250…300 градусов. КПД такого устройства был не более 1,5…2,0 %, но мощности для питания радиостанций вполне хватало. Конечно, в те военные времена конструкция «котелка» была государственным секретом, и даже сейчас на многих форумах в интернете обсуждается его устройство.