Термоэлектрические генераторы

Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) в наши дни находят наиболее широкое практическое применение (хотя пока при относительно небольшой мощности).

Основные достоинства ТЭГ:

1) отсутствуют движущиеся части;

2) нет необходимости в высоких давлениях;

3) могут использоваться любые источники тепла;

4) имеется большой ресурс работы.

ТЭГ широко используют в качестве источников энергии на космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих других установках.

ТЭГ в зависимости от назначения могут преобразовывать в электрическую энергию тепло, получаемое в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д. Тепло распада радиоактивных изотопов и тепло, получаемое при делении ядер тяжелых элементов в реакторах, стало применяться в ТЭГ с конца 50-х годов прошлого века.

ТЭГ изготовляются мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт. Проектируются генераторы и гораздо большей мощности – до нескольких мегаватт.

Почти все современные ТЭГ содержат полупроводниковые материалы в виде теллуридов или селенидов. Их открытие позволило создать ТЭГ с КПД до 10%. В перспективе можно ожидать дальнейшего увеличения КПД. Однако существующие конструкции ТЭГ не могут конкурировать с мощными электрическими станциями из-за дороговизны и низкого значения КПД.

Как показали исследования, в диапазоне мощностей от 1 Вт до 1 кВт ТЭГ с газовым подогревом могут быть экономически выгоднее аккумуляторных батарей солнечных элементов и двигателей внутреннего сгорания.

Созданы полупроводники для работы при температуре 535°С. Однако для эффективной работы промышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести до величины примерно 1100° С. Трудности в повышении температуры полупроводников состоят в том, что с ростом 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, накапливания потенциала не происходит, т. е. не создается термо-э.д.с. Собственно полупроводники бесполезны для целей генерирования термоэлектрического тока.

В настоящее время широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при высоких температурах. Для подогрева горячих спаев может быть использовано тепло, получаемое в реакторах при делении ядер тяжелых элементов. Однако в этом случае требуется решение ряда трудностей, в частности выявление эффекта сильного радиационного воздействия на полупроводниковые материалы, так как ядерное горючее может находиться в непосредственном контакте с полупроводниковыми материалами (рис. 2.4).

На рис. 2.5 показана схема генератора, в котором тепло получается при сжигании органического топлива. Использование обычного органического топлива нерационально из-за больших потерь тепла, уносимого газами.

Термоэлектрическая батарея может быть создана и из делящихся тепловыделяющих термоэлементов, обладающих полупроводниковыми свойствами (рис. 2.6), например из таких, как сульфиды урана и тория.

В типичном энергетическом ядерном реакторе находится 40 – 50 тыс. тепловыделяющих элементов. Если в каждый встроить термобатарею, вырабатывающую ток с напряжением 1 В, то можно, последовательно соединяя эти батареи, получить напряжение, измеряемое многими тысячами вольт.

Исход промышленного применения ТЭГ во многом зависит от успехов поиска материалов, которые обладали бы свойствами полупроводников в условиях высоких температур и интенсивного радиоактивного облучения.

В ТЭГ принципиально возможно использование жидких полупроводниковых материалов. Основной недостаток таких материалов – более интенсивный отвод тепла от горячего спая к холодному за счет конвекции. В твердых материалах перенос тепла осуществляется за счет теплопроводности, обусловленной колебаниями атомов.

Вопрос о целесообразности применения тех, или иных источников энергии решается в пользу ТЭГ в тех случаях, когда ведущее значение принадлежит не КПД, а компактности, надежности, портативности, удобству.

ТЭГ удобны в обслуживании, так как у них нет подвижных частей и они бесшумны в работе.