Термоэлектрический генератор как работает
Термоэлектрический генератор. Устройство, виды, принцип действия термоэлектрического генератора.
Термоэлектрические генераторы
В качестве устройства для прямого превращения теплоты в электрическую энергию применяют термоэлектрические генераторы, которые используют принцип работы обычных термопар (рис. 1).
Рис. 1. Принцип работы обычных термопар
Рис. 2. 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. 3).
Рис. 3. Движение электронов и дырок в материале при нагреве
Рис. 4. 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. 4). 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. 5).
Рис. 5. Устройство полупроводниковых термоэлементов
В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку в цепи течет постоянный ток, обусловленный эффектом Зеебека (рис. 6).
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. 6. Эффект Зеебека
Эффект Зеебека — возникновение ЭДС (термоЭДС)в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах. Открыт в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (Seebeck).
Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников (М1 и М2), возникает термоЭДС, если места контактов (А, В) поддерживаются при разных температурах. Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (термоток Iт), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока.
Рис. 7. Использование теплоты солнечного излучения
Рис. 8. Использование теплоты от специального генератора
Рис. 9. Реклама энергопечи, позволяющей получать электроэнергию
Рис. 10. 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).
Проблема ограничения КПД
Особенностью существующих термопар является большое внутреннее сопротивление термопары как источника ЭДС, вызванные большой длиной и малым поперечным сечением ветвей термопары:
где p1 и р2; 11 и l2; s1 и s2 — удельное сопротивление, длина и площадь поперечного сечения ветвей термопары. Это же является причиной и большого термического сопротивления для теплового потока через ветви термопары, часть энергии которого и преобразуется в электричество. Такая особенность приводит к тому, что КПД современных термоэлементов не превышает 1 % для металлических и 5-7% для полупроводниковых термопар при значительных перепадах температур, и не позволяет получить большие мощности термоэлектрических преобразователей. Для улучшения системы надо оптимизировать соотношения р, l и s.
Несмотря на это термоэлектрические генераторы нашли широкое применение для питания переносных устройств электроники, что объясняется простотой их эксплуатации, высокой надежностью и относительно небольшой стоимостью.
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.
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.
История создания термоэлектрического генератора тока
В 2020 году на страницах «Военного обозрения» появилась статья об истории создания малогабаритной солнечной батареи БСП-1, которую разрабатывали по заказу Минобороны для определенных нужд службы спецрадиосвязи ГРУ ГШ.
В тексте статьи было указано:
«Исходя из сложившейся обстановки руководство ГРУ ГШ поставило задачу оперативно-техническому управлению провести НИОКР по созданию портативных источников тока для подобных ситуаций.
Конкретно этим вопросом стал заниматься отдел под руководством к. т. н. полковника Евсеенкова П.Т.
Практически одновременно начали проводить две малобюджетные НИОКР, причем в одном случае использовали принцип преобразования солнечной энергии в электрическую, а в другом использовали полупроводниковые термоэлектрические преобразователи для получения нужного зарядного тока».
Партизанский котелок
Во время обсуждения появилась информация о том, как сложилась судьба второй НИОКР, в ходе которой было создано еще одно редкое изделие, о судьбе которого практически ничего неизвестно до сих пор.
«Для северных регионов разрабатывался генератор на основе полупроводниковых термоэлектрических преобразователей с теми же характеристиками на выходе.
Была проведена НИОКР и созданы опытные образцы, которые прошли Госиспытания».
Но в серийное производство изделие не пошло по ряду причин, о которых будет рассказано ниже.
Чтобы понимать, откуда появилась идея создания такого источника тока, надо обратиться к истории появления в СССР первых термоэлектрических генераторов (ТЭГ), которые создавались в интересах разведывательных органов Красной Армии.
Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов было осуществлено в СССР в период Великой Отечественной войны под непосредственным руководством А.Ф. Иоффе.
Когда началась Великая Отечественная война, физики Ленинградского физико-технического института разработали специально для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский котелок».
Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе – Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны.
ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер.
В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан – сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца.
Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт.
Выпуск генератора был налажен в марте 1943 года на НИИ 627 с опытным заводом № 1. Принцип работы этого «котелка» хорошо понятен из приведенного рисунка:
В послевоенное время работы над подобной техникой проводились в интересах народного хозяйства с целью обеспечить электропитанием труднодоступные районы и малонаселённые пункты. И были созданы несколько типов термоэлектрических генераторов разной конструкции для маломощных потребителей.
Серийно выпускались, к примеру, приборы под названием ТГК-3 и ТЭГК-2-2, оформленные в виде насадки на стекло стандартной керосиновой лампы:
Некоторые были оформлены в виде керогазов (фитильных керосиновых горелок для приготовления пищи) модели ТГК-9, ТГК-10 и ТГУ-1. Более мощные, но без сопутствующего эффекта освещения.
Правда, стоит отметить, что широкого применения термоэлектрические генераторы в стране не получили, так как обладали малой мощностью. И их производство было сокращено в последующем.
В Вооруженных силах их разработку не проводили вплоть до восьмидесятых годов, когда острая нужда заставила вернуться к созданию малогабаритных источников питания.
О причинах было подробно рассказано в статье о солнечной батареи БСП-1, где объяснялось, почему были созданы эти изделия.
Получив в Академии наук СССР информацию о научных разработках в этой области, было принято решение о проведении двух НИР в разных организациях с целью выявления возможности создания подобной техники с заданными масса-габаритными характеристиками и выходной мощностью порядка 25–30 вт.
Одна НИР проводилась в Специализированном конструкторско-технологическом бюро при Черновицком госуниверситете. А другая – в Ленинградском отделении ВНИИ источников тока. В Черновицком СКТБ «Фонон» исследовалась возможность создания трех разных ТЭГ с разными параметрами для некоторых ситуаций.
В частности, первый вариант предусматривал получение зарядного тока от жилета, находящегося на человеке. И использовалась разница температур между телом и окружающей средой. Попутно он мог выполнять и функции бронежилета в определенных случаях, но не высокого уровня защиты.
Этот вариант не получил развитие, так как слишком малый перепад температур давал небольшой ток.
Второй вариант предусматривал получение напряжение 12,6 В от термического заряда или термитной шашки, которые в течение времени горения могли дать ток ТЭГ, необходимый для передачи короткого сообщения или сигнала в определенных ситуациях через КВ радиостанцию.
Третий вариант предусматривал создание ТЭГ для длительной работы, по типу того, что использовалось в годы войны.
К сожалению, в этой организации дальше НИР дело не пошло. Так как возможности СКТБ «Фонон» не позволяли организовать что-то серьезное даже на уровне малой серии. Поэтому дальнейшее сотрудничество было прекращено. Несмотря на то, что работы была выполнена в полном объёме, и комиссия её приняла, от проведения ОКР в этой организации отказались.
Сувенир
Более серьёзную научную работу под шифром «Сувенир» провели в Ленинградском отделении ВНИИИТ, которым в то время руководил Е.К. Иорданишвили, доктор технических наук, заслуженный деятель науки России, академик и вице-президент Международной термоэлектрической Академии, ученик академика А.Ф. Иоффе.
Исполнителям было предложено на выбор разработать несколько вариантов ТЭГ, которые имели разные виды охлаждения и разные типы горелок, для повышения КПД всего изделия. Но со стороны службы эксплуатации было выставлено жесткое требование к ОКР – в изделии не должна использоваться жидкость для испарения. Нельзя было использовать вентиляторное охлаждение. А также исключалось применение любых каталитических горелок или еще каких-то решений, поднимающих цену изделия и снижающих его надежность.
Поэтому в конечном варианте разработчиками было предложено использовать обычный примус «Шмель 2» как нагревательный элемент.
Со специально разработанной аппаратурой, приблизительный эскиз которой представлен на рисунке.
Выходная мощность разработанного ТЭГ «Сувенир» давала требуемые параметры. А сама конструкция отвечала требованиям ГОСТа по группе 1.14. Иными словами, допускала десантирование в ГК-30 и предусматривала температурный диапазон эксплуатации от –50 до +50 °С.
Емкости бензинового «Шмеля» хватало на 5–6 часов непрерывной работы, что вполне хватало для полной зарядки аккумулятора 10НКП-6c «Пояс» в полевых условиях. Не говоря о том, что одновременно с этим могла готовиться пища в любом котелке, кастрюле или на сковородке, которые ставились сверху самого изделия.
Общий вес всего изделия в сборе был около 5 кг, что не выходило из пределов требований заказчика по масса-габаритным ограничениям.
Для того чтобы окончательно определиться с выбором портативного источника тока, было принято решение отправить в одну из бригад СпН изготовленные на заводе опытные образцы ТЭГ «Сувенир» для войсковых испытаний.
Через полгода был получен отчет о проведенных испытаниях, которые подтвердили все характеристики этих изделий. Но, к сожалению, было указано, что использовать их в разведгруппах нецелесообразно. Потому что проще и удобнее брать еще один заряженный «Пояс».
Возможно, если бы это изделие отправили в 40 Армию (Афганистан), то заключение было бы другим. Но такие испытания запрещалось проводить за рубежами нашей страны. Поэтому ограничились заключением, утвержденным должностным лицом бригады СпН.
На основании этого заключения на совместном совещании заказчика и исполнителей было принято решение в серию изделие не запускать. А документацию сохранить в архивах ГРУ ГШ и Минэлектротехпрома для возможного возобновления выпуска этих изделий в военное время или еще в каких-либо критических ситуациях.
Вспомнить об этом изделии меня заставила информация в сети, где была размещена реклама современного ТЭГ, производимого в Перми и имеющего следующие характеристики:
«Генератор термоэлектрический универсальный B25-12.
Преобразует тепловую энергию в электрическую.
Средний срок службы – не менее 10 лет.
Выходное напряжение – 12 В. Выходная мощность – не менее 25 Вт. Температура установочной поверхности – не более 400 °C.
Габариты, мм: 252х252х170. Вес – не более 8,5 кг.
Продавец ООО Системы СТК Пермь».
Невольно сравнивая то, что было разработано 35 лет назад для нужд ГРУ ГШ, приходишь к выводу, что современный ТЭГ уступает по весу изделию «Сувенир». И, мало того, наличие двух кулеров резко снижает надежность работы в полевых условиях. Не говоря о том, что проблематично на таком изделии готовить пищу.
Так получилось, что изделие «Сувенир» обогнало на много лет вперед нынешние разработки в этом сегменте ТЭГ, что, конечно, вызывает уважение к работе тех, кто его создавал.
В заключении хотелось бы отметить, что в восьмидесятые годы ничего аналогичного изделию «Сувенир» в мире не было создано. А ближайший портативный ТЭГ, производимый в Японии, весил около 18 кг, предназначался для помещений и питался от сжиженного газа.
Более мощные установки выпускались. Но они исключали их мобильное применение небольшими группами военнослужащих. И поэтому на вооружении армии не состояли.
В настоящее время в связи с освоением районов Крайнего Севера и размещением там наших частей, возможно, к идеи обеспечения портативными ТЭГ вернутся вновь. Но на новом уровне.
И тогда опыт разработки изделия «Сувенир» будет востребован.
К этому подталкивают и некоторые миротворческие миссии наших вооруженных сил, когда на небольших наблюдательных постах используют мощные генераторы электрической энергии, требующие большого расхода топлива для двигателя внутреннего сгорания. Это затратно и иногда связано с невозможностью своевременного подвоза больших объемов топлива из-за погодных условий, особенно в горах или в отдаленных районах.
Надеюсь, что эта статья откроет еще одну малоизвестную страницу советских военных разработок. И подскажет кому-то, как можно решить проблему обеспечения электроэнергией небольших по мощности потребителей, если возникнет такая необходимость.
Думаю, это поможет нашим Вооруженным силам и нашему народу не только сейчас, но и в будущем.
Потому что идея использования ТЭГ до сих пор актуальна для некоторых ситуаций в труднодоступных районах или в аварийных случаях.
Что такое термоэлектрический генератор?
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:
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:
Приведем несколько примеров таких устройств.
Энергопечи
Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:
Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.
Индигирка – три в одном
У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:
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:
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.
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.