Термоэлектрические генераторы
Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) относятся к устройствам, непосредственно преобразующим тепловую энергию в электрическую.
Основные преимущества ТЭГ:
– отсутствуют движущиеся части;
– нет необходимости в высоких давлениях;
– могут использоваться любые источники теплоты;
– большой ресурс работы.
В качестве источников энергии ТЭГ широко используют на космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих других установках.
В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, получаемая при распаде радиоактивных изотопов и делении ядер тяжелых элементов в реакторах, стала применяться в ТЭГ с конца 50-х гг. ХХ в.
Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. В 1921 г. Зеебек сообщил об экспериментах, связанных с отклонением магнитной стрелки вблизи термоэлектрических цепей. В этих исследованиях Зеебек не рассматривал задачу получения энергии. Сущность открытого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.
Эффект Зеебека можно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов неодинакова в разных проводниках и по-разному увеличивается при повышении температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, а у горячего – избыток положительных. В простейшем термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спая, поддерживающихся при разных температурах, возникает электрический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следовательно, тем выше ЭДС. Поэтому полупроводниковые элементы более эффективны, чем металлы.
Одно из практических применений ТЭГ – тепловой насос, в одной части выделяющий, а в другой – поглощающий теплоту за счет электрической энергии. Если изменить направление тока, то насос будет работать в противоположном режиме, т.е. части, в которых происходит выделение и поглощение теплоты, поменяются местами.
а б
Рис. 9.5. Схема работы теплового насоса: а - тепловой насос, обогревающий комнату зимой; б - тепловой насос, охлаждающий комнату летом
Такие тепловые насосы могут успешно применяться для терморегуляции жилых и прочих помещений. Зимой насосы нагревают воздух в помещении и охлаждают его на улице, а летом, наоборот, охлаждают воздух в помещении и нагревают на улице. На рисунке 9.5 показана схема работы теплового насоса в помещении.
В настоящее время созданы полупроводники, работающие при температуре более 500 °С. Однако для промышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести примерно до 1100 °С. При таком повышении температуры полупроводники различных типов проявляют тенденцию к превращению в собственно полупроводники, у которых числа носителей положительных и отрицательных зарядов равны. Эти заряды при создании градиента температуры перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве, и, следовательно, накапливание потенциала не происходит, т.е. не создается термоЭДС. Собственно полупроводники бесполезны для целей генерирования термоэлектрического тока.
Широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при высоких температурах. Для работы ТЭГ можно использовать теплоту, получаемую в реакторах при делении ядер тяжелых элементов. Однако в этом случае требуется решить ряд задач, в частности определить влияние эффекта сильного радиационного воздействия на полупроводниковые материалы, так как ядерное горючее может находиться в непосредственном контакте с ними.
Вопрос о целесообразности применения тех или иных источников энергии решается в пользу ТЭГ в тех случаях, когда ведущее значение имеет не КПД, а компактность, надежность, портативность, удобства.
Изотопная энергетика
В радиоактивном распаде ядер испускаются заряженные частицы и g-кванты. Торможение заряженных частиц и поглощение g-квантов в веществе сопровождаются выделением тепла. Радиоактивные вещества, служащие источниками тепла, называют радиоизотопным топливом. Его используют в радиоизотопных ТЭГ.
Главными частями генератора являются радиоизотопный блок (ампула с радиоизотопным топливом), термобатарея, теплоизоляция, конструкционные связи и холодильник. На поверхности радиоизотопного блока расположены термобатарея и конструкционные связи, остальная поверхность радиоизотопного блока покрыта теплоизоляцией.
Поток тепла с поверхности радиоизотопного блока падает на термобатарею, в которой часть его расходуется на получение электроэнергии. Часть тепла передается через конструкционные связи к холодильнику с оребренной внешней поверхностью и сбрасывается в окружающее пространство.
Радиоизотопное топливо – это металл или химическое соединение с высокой удельной мощностью (энергия, выделяющаяся в единице массы или единице объема за 1 с), высокой теплопроводностью и минимальной температурой плавления (500 °С). К радиоизотопному топливу и конструкционным материалам предъявляются строгие требования. Они связаны как с уменьшением габарита и массы генератора, так и с радиационной безопасностью после аварийных ситуаций, при транспортировке и во время эксплуатации генератора.
Радиоактивный металл не всегда приемлем как топливо вследствие своей токсичности, химической активности с воздухом, водой и с материалами ампулы, низкой температуры плавления. Чаще используют химические соединения металлов, например, титанат стронция SrTiO3, молибденат церия Ce2(MoO4)3.
Термобатарея представляет собой ряд термопар, спаянных последовательно. Спай термопар, на который падает тепловой поток из радиоизотопного блока, называют горячим, второй спай термопар – холодным. Термопара состоит из двух полупроводниковых ветвей. Одну ветвь изготавливают из полупроводника с электронной проводимостью (n-полупроводника), другую – из полупроводника с дырочной проводимостью (p-полупроводника).
В термобатарее расходуется тепло на образование свободных электронов (n-полупроводник) и положительных ионов (p-полупроводник), причем количество зарядов увеличивается при повышении температуры. Так как температура горячего спая больше температуры холодного спая, то распределение зарядов по ветвям неравномерно и в термобатарее возникает электродвижущая сила. Наиболее приемлемы для изготовления термопар твердые растворы Bi2Te3–SbTe3 и Bi2Te3–Bi2Se3 (рабочий интервал температур 200 - 600 К), сплавы Pb–Te (600 – 1000 К) и Si–Ge (900 – 1300 К).
Главные характеристики генератора – электрическая мощность Рэ, срок службы tг, выходное напряжение U и коэффициент полезного действия h. Мощность Рэ(t) изменяется пропорционально активности радиоизотопного топлива. Срок службы tг у различных генераторов имеет пределы от 0,2Т1/2 до Т1/2. Период полураспада Т1/2 обычно составляет от 100 дней до 100 лет.
Напряжение пропорционально температурному перепаду Dt = t1 – t2 и количеству термопар в термобатарее. Коэффициент полезного действия зависит от температурного перепада температуры горячего спая и свойств полупроводниковых ветвей. Электрическая мощность действующих генераторов серии «Бета», «Эфир», «Пингвин» (РФ), SNAP-7 (США) и других достигает 100 Вт, напряжение на клеммах генераторов – 4 - 12 В, а значение h не превышает 10 %.
В ноябре 1969 г. во время своего пребывания на Луне экспедиция «Аполлон-12» оставила там комплекс научной аппаратуры для измерения магнитных полей, пыли, солнечного ветра, ионных потоков и сейсмической активности. Комплекс питался электроэнергией от источника мощностью 74 Вт, работавшего на изотопе Ри-239. При этом требовалась тепловая мощность 1480 Вт, соответствующая активности 500 Ки. Для этого требовалось около 2,6 кг Ри-239.
На рисунке 9.6. схематически показано устройство изотопного генератора электроэнергии. Между стержнем из двуокиси плутония и оболочкой из берилия расположено 442 свинцово-теллуровых термоэлемнта, соединеных так, что генерируется мощность 74 Вт при напряжении 16В, К.П.Д. составляет около 5 %. Рабочая температура изотопного соединения – 7320С. Термоэлементы работают между температурами 593 и 274оС. Масса генератора равна 20,2 кг. Масса аккумуляторных батарей, обеспечивающих ту же мощность, составила бы 1812 кг. Источник обеспечивал выработку электроэнергии при колебаниях температур на Луне от–138 до+120 ОС. В полете изотоп транспортировался в специально контейнере, рассчитанном на сильный удар и перегрев. Такие меры были необходимы на случай, если экспедиция была бы прервана и вся аппаратура возвращалась бы на Землю. Подобный изотопный генератор мог быть использован для снабжения электроэнергией бортовой аппаратуры автоматической межпланетной станции в полетах на Юпитер и Марс. Срок его действия мог быть около двух лет.
Рис. 9.6. Изотопный генератор электроэнергии (SNAP-27, применявшийся в экспедиции «Аполлон-12»): 1 – стержень-капсула с радиоизотопом; 2 – внешняя оболочка; 3 – теплоотводящие ребра; 4 – термопары
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы служат источниками питания автоматических радиометеорологических станций, светорадиомаяков, бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли и т. д. Малогабаритные генераторы находят применение в медицине, например, для питания стимуляторов сердца.