В этом году исполнится 220 лет со времени открытия явления термоэлектричества итальянским физиком Алессандро Вольта, который впервые в мире в 1794 году с помощью препарированной лягушки, которая, по его словам, служила ему только прибором, «гораздо более чувствительным, чем электрометр с золотыми листочками», обнаружил факт «возбуждения» электричества при нагреве проводника (то есть термоэлектрический эффект, которому он не придал особого значения и который остался незамеченным его современниками).

 

Термоэлектрические генераторы

Спустя несколько лет аналогичные термоэлектрические явления в целях, состоящих из электролита и металлического электрода, были обнаружены немецкими физиками И. Риттером (1798 год) и И. Швайггер (1810 год). А еще через 27 лет, в 1821 году, немецкий физик Т. Зеебек, пытавшийся доказать ошибочную (как позднее установил датский физик X Эрстед) гипотезу о различной природе электрических и магнитных явлений, случайно (по его признанию) обнаружил, что величина и направление воздействия на магнитную стрелку зависят от степени нагрева висмутовой и сурьмянистой пластин и от материала, из которого они были изготовлены (рис.1). Именно этот опыт (в отличие от оставшихся незамеченными опытов А, Вольта, И. Риттера и И. Швайггера) послужил основанием признать автором открытия явления термоэлектричества Т. Зеебека, а не А. Вольта (хотя исторически было бы справедливым, как в наше время считает влиятельная Международная термоэлектрическая академия, признать приоритет открытия термоэлектричества за А. Вольта, а не за Т. Зеебеком [3]).

термоэлектрический эффект

Описание сущности термоэлектрических эффектов нельзя признать полным без ссылок на позднее открытые эффекты, к числу которых относятся: открытый в 1834 году французским физиком Ж. Пельтье эффект, обратный эффекту Зеебека, заключающийся в образовании разности температур на спаях в случае протекания электрического тока по термоэлектрической цепи (эффект Пельтье), а также открытый в 1851 году английским физиком В. Томсоном эффект дополнительного выделения или поглощения тепла в однородном проводнике при пропускании через него электрического тока, если вдоль проводника создан перепад температуры (эффект Томсона).

Три основных эффекто - Зеебека, Пельтье и Томсона - легли в основу науки о термоэлектрических явлениях, которая получила развитие лишь в XX веке и особенно бурно развивается в наше время. Центральное место в этой науке принадлежит исследованиям термоэлектрических явлений в рассматриваемых далее термоэлектрических генераторах или сокращенно термо-электрогенераторах и практическим применениям этих генераторов [1,2,4,5].

Принцип действия и конструктивные особенности некоторых типов термоэлектрогенераторов

Термоэлектрогенераторы представляют собой устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на основе применения эффекта Зеебека, заключающегося в появлении ЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных материалов при условии, что на местах контактов поддерживаются разные температуры. Этот эффект возникает вследствие зависимости энергии свободных электронов и так называемых дырок от 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 но холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток.

Первое подобие термоэлектрической цепи в виде термоэлектрической батареи было создано еще в 1823 году совместными усилиями физиков X.Эрстеда и Ж. Фурье, впервые соединивших термоэлектрические пары так же, как до этого соединяли гальванические элементы в батареи для повышения напряжения. При этом в качестве материалов, составляющих цепь термоэлемента, использовались висмут и сурьма. Таким образом, термоэлектрическая батарея состояла из спаянных между собой в чередующемся порядке висмутовых и сурьмянистых стержней. Один ряд спаев нагревался пламенем свечей, другой охлаждался льдом, в результате чего во внешней цепи, подключенной к термобатарее, возникал электрический ток. Схематически такая батарея показана на рис.2, где обозначено: 1 и 2 - висмутовый и сурьмянистый стержни соответственно; 3 - свеча или горелка; 4 - сосуд со льдом.

В дальнейшем термобатарею с нагревателем и холодильником по аналогии с другими машинами, вырабатывающими электрический ток, стали называть термоэлектрогенератором или термоэлектрическим источником тока.

термоэлектрический источник тока

 

Современный учебный прибор, предназначенный для демонстрации эффекта прямого преобразования тепловой энергии сжигания жидкого топлива в электрическую с помощью термоэлектрогенератора, показан на фотографии, помещенной в начале этой статьи [5]. В состав прибора входят: источник тепла (спиртовка), термоэлектрический модуль, температура горячей и холодной сторон которого контролируется с помощью двух спиртовых термометров, радиатор для рассеивания тепла, а также электропотребители (электролампы и вентилятор). Выделяемая спиртовкой тепловая энергия преобразуется в электрическую, от которой загораются лампочки или вращается вентилятор.

 

 

Следующим этапом в развитии термоэлектричества явилось создание нескольких, внешне отличающихся одна от другой, термоэлектрических батарей в качестве источников электроэнергии для некоторых производственных процессов и даже для осветительных целей. Так, термобатарея, разработанная в 1879 году французским изобретателем Ш. Кламоном, служила достаточно надежным источником электроэнергии и применялась для освещения в типографиях. Другим распространенным в то время типом термобатарей были батареи Ноэ. Однако низкая эффективность термоустройств этого типа в условиях бурно развивающейся электроэнергетики лишала термоэнергетику каких-либо шансов одержать победу в конкурентной борьбе.

 

Ток продолжалось до начала 30-х годов прошлого века, когда, в связи с бурным развитием радиотехники, возникла острая необходимость создания различных типов автономных термоэлектрогенероторов, предназначенных для питания радиоприемников и зарядки аккумуляторов. Наибольшую известность получили разработанные в этот период времени в ряде стран термоэлектрогенераторы с газовым нагревом Э. Андервуда (1932 г.), использовавшего в конструкции генератора никельхромовый и никелемедный сплавы и снабдивший генератор стабилизатором нагрева для получения возможности регулирования выходного напряжения; Р. Матиуса (1934 г.), создавшего генератор в виде набора дисков - звездообразных батарей, насаженных на общую трубу с теплоносителем; Г. Милнза (1934 г.), разработавшего термоэлектрогенератор на основе сплавов медь - серебро, легированных селеном, и достигшего рабочей разности температур преобразования 300°С; Ф. Кигли (1940 г.) и др. [1,2,4].

Начиная с 1940 года, когда академик А.И. Иоффе выдвинул идею о возможности с помощью полупроводников превращать тепловую (в том числе солнечную) энергию в электрическую, термоэлектрогенераторы начали создаваться на основе полупроводниковых термобатарей. Впервые в мире такой термоэлектрогенератор был создан в 1940 году в Ленинградском физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе. Он состоял из 20 термоэлементов размером 1x1x0,5 см3, изготовленных из сернистого свинца с положительным и отрицательным типом проводимости, и имел мощность около 2 Вт и КПД около 3%.

Первое практическое применение полупроводниковые термоэлектрогенераторы типа ТГ-1 получили в самом начале Великой Отечественной войны, когда в Советском Союзе был создан «партизанский котелок», получивший такое название из-за формы крестьянского чугунка с двойным дном, внутри которого размещался блок полупроводниковых термопар (рис.З). В «котелок» наливали холодную воду и вешали его над костром, огонь которого нагревал его дно и вместе с ним горячие спаи термоэлементов, изготовленных из SbZn и константана. Второе дно и холодные спаи охлаждались холодной водой. При этом разность температур спаев достигала 200...250°С,    а вырабатываемой таким генератором электроэнергии, даже несмотря на сравнительно низкий КПД генератора, не превышавший 1,5...2,0%, было достаточно для обеспечения электропитания партизанских радиостанций.

50-е и последующие годы прошлого века отличались быстрыми темпами освоения космоса, приоритетами в разработке высокотехнологичных видов вооружений, роботизированных производств из-за чего наметилась устойчивая тенденция создания (наряду с маломощными) более мощных (от 10 до 1000 Вт) термоэлектрогенераторов, работающих на органическом топливе. Так, в 60-х годах прошлого века в Советском Союзе был разработан ряд термоэлектрогенероторов мощностью 10...15 Вт напряжением 10... 18 В.

Схема одного из таких генераторов типа ТГК-16 показана на рис.4, где обозначено: 1 - термобатарея; 2 - горячий коллектор; 3 - холодный радиатор; 4 - теплопроводные диски; 5 -газовая горелка. Расход природного газа генератора -0,1...0,2 м3/ч, КПД - 1%. В это же время в Институте полупроводников АН СССР был разработан термоэлектрогенератор ТЭГ-50 для катодной защиты мощностью 50 Вт, а затем и более мощный ТЭГ-300 мощностью 300 Вт. Хорошо себя зарекомендовал также позднее созданный компанией «Термокластер» (Россия) термоэлектрогенератор мощностью 200 Вт, напряжением 24 В, предназначенный для питания бытовой системы отопления в качестве резервного источника электроэнергии, необходимой для питания бойлеров, котлов с принудительной подачей топлива и т. п. в случае отключения централизованного электроснабжения.

 

Схема этого генератора приведена на рис.5, где обозначено: 1 - газовая горелка; 2 - кожух горелки; 3 - рома; 4 - холодный теплообменник; 5 - термобатарея; 6 - горячий теплообменник; 7 - труба; 8 - верхний теплообменник; 9 - кожух теплообменника; 10, 11 -элементы крепления. Тепловой КПД этого генератора - до 90%, термический КПД - 2,5%, срок службы - не менее 20 лет.

термоэлектрогенератор

Рис.5

 

 

Ряд серийных термоэлектрогенераторов на газовом топливе в конце 60-х годов прошлого века был создан в США фирмами «Вестингауз», «Дженерел электрик» и др., во Франции - фирмами «Алькатель», «Tomson CSF», а в 70-х - 80-х годах прошлого века - рядом американских фирм, таких как US Army Electronics Command, US Army Electronics Technology and Devices Laboratory (ECOM) и др., разработавших эффективные конструкции термоэлектрогенераторов на жидком топливе для военных применений с выходной мощностью 120... 1100 Вт. Эти генераторы имели высокую удельную мощность 400-440 Вгч на 1 кг топлива, напряжение 25...32    В, срок непрерывной работы без обслуживания - 1500 часов, КПД - 3,3% с воздушным и 3,5% -с водяным охлаждением.

 

Подробные сведения о более поздних отечественных и мировых разработках разнообразных конструкций термоэлектрогенераторов на жидком и газовом топливе содержатся в [1,2,4].


Основные направления разработок термоэлектрических источников энергии

В настоящее время наиболее перспективными считаются следующие направления в проектировании и разработке новых конструкций термоэлектрических источников энергии:

1.    Термоэлектрогенераторы, предназначенные для получения только электрической энергии.

2.    Комбинированные термоэлектрические источники света и электрической энергии.

3.    Комбинируемые термоэлектрические источники тепловой и электрической энергии.

Некоторые, до конца еще не решенные, проблемы, относящиеся к созданию энергоэффективных конструкций термоэлектрогенераторов, предназначенных для получения только электрической энергии, а также комбинированных термоэлектрических источниках света и электроэнергии, рассматривались в [4]. Поэтому обратим внимание на весьма перспективное и поэтому быстро развивающееся новое направление прикладных исследований в термоэлектричестве, связанное с проектированием и разработкой комбинированных термоэлектрических источников тепловой и электрической энергии. Наибольшие успехи в создании таких источников, одновременно вырабатывающих тепловую и электрическую энергию, спроектированных так, что их электроэнергия преимущественно используется для электропитания устройств, необходимых для получения и распределения тепла, а избыток вырабатываемой электроэнергии используется для питания другого вспомогательного оборудования или приборов, достигнуты в Институте термоэлектричества НАН Украины (г. Черновцы). В этом институте еще несколько лет тому назад были разработаны и прошли успешные испытания термоэлектрогенераторы, имеющие электрическую мощность в пределах 25...100 Вт, а тепловую - до 4 кВт.

Наиболее перспективной оказалась разработка одного из типов таких генераторов, имеющего следующие технические характеристики: исходная электрическая мощность - 105 Вт; тепловая - 3,5...4 кВт; КПД -3,1%; наименьшая (по сравнению с другими близкими по мощности термоэлектрогенераторами) удельная стоимость электроэнергии, составляющая 17,6 USD/Вт (в докризисных ценах). Последняя из приведенных выше характеристик превышает достигнутый в мире показатель по удельной стоимости электроэнергии, получаемой путем термоэлектрического превращения тепла сгорания газового топлива. Этот показатель, напрямую зависящий от мощности генератора, находится в пределах 30...230 USD/Вт (без учета разработок Института термоэлектричества НАН Украины, где он ниже). При этом наивысшую стоимость (130...230 USD/Вт) имеет электроэнергия маломощных термоэлектрогенераторов (10...20 Вт), а наименьшую (30...40 USD/Вт) -электроэнергия термоэлектрогенераторов мощностью 220...550 Вт. Стоимость электроэнергии термоэлектрогенераторов мощностью 60... 120 Вт находится в пределах 40... 100 USD/Bт.

Основные преимущества термоэлектрогенераторов перец другими источниками электропитания: большой срок службы; практически неограниченный срок хранения при полной готовности к работе в любое время; отсутствие необходимости специального обслуживания; высокая надежность в работе; стабильность параметров; вибростойкость; отсутствие опасности к.з. и режима х.х.; полная бесшумность в работе ввиду отсутствия движущихся частей.

 

Наименование характеристики

Значение характеристики

ПТЭГ-1

ГТТЭГ-2

ГТТЭГ-3

ПТЭГ-4

ПТЭГ-5

Выходная электрическая мощность, мВт

5

6,5

8,5

12

20

Выходное напряжение, В

3; 6; 12

Усредненный тепловой поток, мВт

1440

2000

2880

4500

8000

Габариты, мм

85*85*250

100*100*250

120*120*250

150*150*250

200*200*250

Табл. 1

 

Благодаря этим преимуществам термоэлектрогенераторы широко применяются в областях, где требуются сверхнадежные источники электроэнергии, обладающие длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания: для питания автоматических метеостанций, морских маяков, автономных космических аппаратов. В качестве источников тепла в них могут использоваться: радиоактивные изотопы или ядерные реакторы; газообразное топливо - для катодной защиты магистральных газо- и нефтепроводов от коррозии (при условии отсутствия вдоль этих трасс линий электропередачи); перепад температур окружающей среды и газа из скважины - для работы автоматики газовых буровых скважин.

 

Технические характеристики некоторых типов термоэлектрогенераторов приведены в табл.1 - для почвенного термоэлектрогенератора типа ПТЭГ (рис.6,а), используемого для питания сигнальных устройств на неэлектрофици-рованных участках железных дорог, обеспечения работы автономных агрометеорологических комплексов в отдаленных и пустынных районах, в системах охранной сигнализации, и в табл.2 - для термоэлектрогенератора

почвенный термоэлектрогенератор

Рис.6

 

Наименование характеристики

Значениехарактеристики

Номинальная электрическая мощность генератора, Вт

2,5

Значения стабилизированного напряжения на выходе, В

3; 6; 12

Расход топлива (осветительного керосина), г/час

16

Объем топливной емкости, л

0,4

Время работы генератора на одной заправке топливной емкости, час

16

Масса генератора без топлива, кг

2,3

Табл. 2

 

с осветительной керосиновой лампой типа Altec-8019 (рис.6,б), используемого для питания постоянным током радиоприемников, магнитофонов, систем охранной сигнализации, зарядки аккумуляторов, в том числе мобильных телефонов [5].

Основные недостатки термоэлектрогенераторов: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10... 15 кг/кВт; поверхностная плотность мощности 10 кВт/м2 (на единицу поперечного сечения элемента); объемная плотность мощности

200...400    кВт/м3; сравнительно низкий КПД преобразования энергии, не превышающий для серийно выпускаемых термоэлектрогенераторов 3...5%.

Очевидно, что для более широкого практического применения термоэлектрогенераторов на органическом топливе требуется повышение их КПД, что может быть достигнуто в результате использования каскадных термоэлектрических батарей, рационального использования тепла как путем его рекуперации, так и за счет создания секционных схем, где в каждой секции используется свой рабочий диапазон температур и свои модули, оптимизированные для этого диапазона температур. Далее, важной задачей является снижение стоимости термоэлектрических модулей до величины

1...0.5    USD/Вт и ниже, что существенно снизит стоимость термоэлектрогенераторов. Кроме того, продолжают оставаться не освоенными, однако важными для использования, термоэлектрогенераторы миливаттного диапазона. В случае необходимости осуществления непрерывного и долговременного питания некоторых устройств они могут стать альтернативой химическим источникам электрической энергии, поскольку могут иметь более высокие удельные характеристики по сравнению с характеристиками аналогичных химических элементов.

Т. Н. Черноштан. г. Яготин

Литература

1.    Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник/Л.И. Анатычук. - К.: Наукова думка, 1979.

2.    Буряк А.А., Карлова Н.Б. Очерки развития теомо-электричества. - К.: Наукова думка, 1988.

3.    Анатычук Л.И. Об открытии термоэлектричества Вольта (на укр. яз.)//Термоэлектрика. - 2004. -№2.

4.    Анатычук Л.И., Михайловский В.Я. Развитие исследований и разработок термогенераторов на органическом топливе (на укр. яз.)//Термоэлектрика. - 2004. - №4.

5.    Термоэлектрические генераторы. -http://ite.cv.ukrtel.net/ite/ rus/termogenerators.htm.

Читайте также: Электричество из тепла