ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Существует и прямой способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. В основе этого способа лежит известный в физике полупроводников эффект Зеебека. Эффект Зеебека заключается в возникновении термоэлектродвижущей силы в электрической цепи, составленной из материалов с разной концентрацией носителей заряда, места соединений которых нагретые до различных температур.

Рассмотрим механизм возникновения термоэлектродвижущей силы в полупроводниковых материалах. Пусть полупроводник n-типа проводимости имеет форму длинного тонкого бруска с металлическими контактами на обоих концах. Если один из концов полупроводникового бруска имеет более высокую температуру по сравнению с другим концом, тепловая энергия свободных электронов на этом конце выше, чем на холодном его конце. Следовательно, эти более энергичные электроны будут двигаться к холодному концу в большем количестве, чем в обратном направлении. В результате такого перемещения холодный конец полупроводника будет заряжаться отрицательно, а нагретый конец, вследствие ухода электронов, приобретает положительный заряд. В случае полупроводника р типа проводимости на холодном конце образуется избыток положительного заряда, а на горячем его конце образуется избыток отрицательного заряда. Если полупроводник изолирован, то по мере увеличения разности потенциалов на его концах, растет электрическое поле, препятствующее дальнейшему разделению зарядов. Однако, если полупроводник, в котором разница температур составляет часть замкнутого электрической цепи, то процесс разделения зарядов не прекращается и электрическом круга протекает ток. В существующих конструкциях, с целью получения больших значений тока, электрическая цепь состоит из полупроводниковых элементов n и р типов проводимости. В этом случае токи совпадают по направлению и усиливают друг друга. На рис. 7.1. показан

Устройство простейшего термоэлектрогенераторы

Рис. 7.1. Устройство простейшего термоэлектрогенераторы

устройство простого термоэлектрогенераторы, составленного из двух полупроводниковых материалов с различными типами проводимости. Металлическая пластина, соединяющая два полупроводники, нагревается каким либо источником тепла (Те> То). Два противоположных охлаждаемые конце полупроводников соединены с цепью нагрузки (Rh). которое и использует, создаваемую термоэлементом, электроэнергию. В этой конструкции, генерирует ток направлен в полупроводнике р - типа проводимости от горячего конца к холодному, а в полупроводнике п-типа проводимости от холодного к горячему. Если температура горячих концов термоэлемента равна Т 1 , а холодных его концов равна Так, то удельный термоэлектродвижущая сила (термоэдс.) Равна сумме удельных термоэдс. отдельных его частей:

Полную термоэдс. элемента можно выразить с помощью следующего выражения:

(7.1)

Ток, протекающий через нагрузочное сопротивление:

(7.2)

Где: R H - сопротивление нагрузки; R o - внутреннее сопротивление термоэлемента.

Полезная мощность, которую можно получить в нагрузке, определяется так:

(7.3)

Где U - напряжение на нагрузочном сопротивлении, которое можно записать в виде:

(7.4)

Используя выражение (2.7) - (4.7) получим:

(7.5)

Наибольшее значение полезная мощность достигается при

(7.6)

Одним из основных параметров термоэлемента является коэффициент полезного действия . Этот коэффициент определяется как отношение полезной мощности к тепловой энергии возобновляемой на горячем концу термоэлемента:

(7.7)

Величина коэффициента полезного действия термоэлектрогенераторы зависит от удельных термоэдс. составных элементов; от коэффициента теплопроводности полупроводникового материала и от его удельной электрической проводимости :

(7.8)

При определении реальной величины коэффициента полезного действия необходимо учитывать наличие потерь тепла за счет теплопроводности в холодных концов термоэлектрогенераторы, и потери, обусловленные нагревом током, протекающим. Реальные значения коэффициента полезного действия термоэлектрогенераторы лежат в пределах 10-30%.

Отдельные пары элементов термоэлектрических генераторов генерируют малое напряжение. Для получения необходимых значения токов и напряжений, отдельные элементы соединяются в батареи последовательно - для получения больших напряжений и параллельно - для одержаннябильших токов.

Последовательное соединение термоэлектрогенераторов

Рис. 7.2. Последовательное соединение термоэлектрогенераторов

При таком последовательно-параллельном соединении повышается мощность, отдаваемая. На рис. 7.2. показан пример последовательного соединения элементов термоэлектрогенераторов.

На рис. 7.3. показан внешний вид одного из маломощных термоэлектрогенераторов выпускаемой промышленностью. Этот термоэлектрогенератор отдает в нагрузку мощность около 16 Вт, при наличии перепада температур в 20-25 градусов, между его что нагревательный и охлаждаемой поверхностями. Термоэлектрические батареи имеют следующие основные преимущества перед другими источниками электропитания: они характеризуются длительным сроком службы и практически неограниченным сроком хранения при полной

Внешний вид одного из маломощных термоэлектрогенераторов

Рис. 7.3. Внешний вид одного из маломощных термоэлектрогенераторов

готовности к работе в любое время, не требуют специального обслуживания, устойчивые в работе, дают стабильное напряжение, не боятся короткого замыкания и режима холостого хода. Кроме того, из-за отсутствия движущихся частей, термоэлектрические генераторы полностью бесшумны в работе, что дает им преимущество перед машинными источниками постоянного напряжения. Благодаря этим свойствам термоэлектрические генераторы находят применение в областях, где требуются надежные источники электроэнергии, обладают длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания: автоматические метеостанции, морские маяки, автономные космические аппараты. V качестве источников тепла в них могут использоваться радиоактивные изотопы или ядерные реакторы. Для работы автоматики газовых скважин применяются тег, используют перепад температур окружающей среды и газа из скважины. Для коттеджей и загородных домов разработан ТЭГ мощностью 200 Вт. Он представляет собой газовый котел, производит одновременное тепло для отопления и электроэнергию. Этот генератор позволяет обеспечить бесперебойное электропитание системы отопления (автоматики, циркуляционных насосов), что делает ее полностью независимой от внешней электросети. Кроме того, это устройство может быть резервным источником электропитания для широкого спектра бытовых приборов. На рис. 7.4. показана конструкция этого термоэлектрического генератора.

На этом Рис .: 1 - подведение газа; 2 - газовая горелка; 3 - термоэлектрические батареи; 4 - водяные теплообменники; 5 - корпус генератора; б - система съема генерируемой электроэнергии; 7 - вывод тепла Устройство работает следующим образом: продукты сгорания природного газа, пропана или пропан - бутановой газовой смеси нагревают ребра термоэлектрических батарей. Другие стороны батарей охлаждаются водой. За счет созданной разницы температур на конечных шинах батарей (+)

Устройство термоэлектрического генератора

Рис. 7.4. Устройство термоэлектрического генератора

и (-) генерируется электрическая энергия. Мощность по электроэнергии составляет 200 Вт (постоянный ток - 24 В), мощность по теплу - 6-8 кВт, общий КПД достигает 90%. Срок службы - не менее 20 лет. Габаритные размеры (ориентировочно) - 600x330x300 мм. Вес (ориентировочно) - 40 кг. В литературе описаны и другие устройства, использующие термоэлектрические батареи. Одно из таких устройств показано на рис. 7.5. Здесь термоэлектрическая батарея, помещенная в гидроизоляционный корпус, устанавливается на поверхности воды. Разница температур батареи, обусловлена нагревом солнечного излучения и охлаждением потоком воды, обеспечивает генерацию электроэнергии. Подобные установки наиболее эффективны при больших перепадах температур, как, например, в морях: на глубине вода очень холодная - около 4С, а на поверхности нагревается до 25 ° С, что составляет примерно 20 градусов разницы. Все необходимые инженерные разработки уже проведены и испытаны экспериментально (например, в атолла Каваратти в Лаккадивском архипелаге около юго-западного побережья Индии).

Схема электрической станции на термоэлектрических преобразователях, использует разницу температур морской воды, показано на рис. 7.6. На этом Рис .: 1 - корпус термоэлектрической станции; 2 - батарея термоэлектрических генераторов; Т 1 , Т 2 - система впуска и выпуска теплой воды; Т 3 , Т 4 - система впуска и выпуска холодной воды. В Японии, в Иокогамскому, университете, была создана установка по производству водорода из морской воды, представляет собой батареи термоэлементов, поглощающие солнечные лучи. Солнечная энергия в

Обработанные термоэлектрическая батарея, установленная на поверхности воды

Рис. 7.5. Гидроизолированный термоэлектрическая батарея, установленная на поверхности воды

помощью специальных линз концентрируется на концах термоэлементов, а противоположные концы охлаждаются морской водой.

Возникающий в термоэлементах, вследствие разницы температур, электрический ток разлагает воду на кислород и водород. Блок термоэлементов площадью 10 квадратных метров может обеспечить получение 10000 кубических метров водорода в год.

К недостаткам электростанций на основе термоэлектрических преобразователей относятся достаточно высокая стоимость материалов, из которых изготавливаются элементы и необходимость изолировать спаи от непосредственного контакта с морской водой. При контакте с водой происходит шунтирование через воду соседних термоэлементов элементов, и, следовательно, снижение мощности, выдаваемой в цепь нагрузки. В свою очередь, изолирование спаев приводит к удорожанию преобразователей и ухудшению их показателей. Работы, выполненные группой исследователей из университета Осаки (Япония), показывают, что при отсутствии изолятора в несколько раз увеличивается съем полезной мощности. Однако необходимо иметь в виду, что в опытах японских исследователей как носителя энергии использовалась не самая морская вода, а фтор-углеводные соединения.

Схема ОТЕС на термоэлектрических преобразователях

Рис. 7.6. Схема ОТЕС на термоэлектрических преобразователях

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >