Термоэлектрогенератор — это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).
История изобретения термоэлектрогенераторов
В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, может производить электричество. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук.[1] В основе термоэлектрического эффекта Зеебека лежит тот факт, что температурный градиент в токопроводящем материале вызывает тепловой поток; это приводит к переносу носителей заряда. Поток носителей заряда между горячими и холодными областями, в свою очередь, создает разность потенциалов.
В 1834 году Жан-Шарль Пельтье обнаружил обратный эффект, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников.[2]
Типы применяемых термоэлектрогенераторов
- Топливные: тепло от сжигания топлива (природный газ, нефть, уголь) и тепло от горения пиротехнических составов (шашек).
- Радиоизотопные: тепло от распада изотопов (распад не контролируется и работа определяется периодом полураспада).
- Атомные: тепло атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоний-238, торий), как правило, здесь термоэлектрогенератор — вторая и третья ступень преобразования.
- Солнечные: тепло от солнечных коллекторов (зеркала, линзы, тепловые трубы).
- Утилизационные: Тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные и печные газы и др).
Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии
Для термоэлектрогенераторов используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик (тысячи сплавов и соединений), но лишь немногие из них могут использоваться для преобразования тепловой энергии. Современная наука постоянно изыскивает новые и новые полупроводниковые композиции и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах. Определённо можно сказать, что на сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным инструментом в создании такого материала является эксперимент. Важнейшими свойствами полупроводникового материала для термоэлектрогенераторов являются:
- КПД: Желателен как можно более высокий КПД;
- Технологичность: Возможность любых видов обработки;
- Стоимость: Желательно отсутствие в составе редких элементов или их меньшее количество, достаточная сырьевая база (для расширения сфер ассимиляции и доступности);
- Коэффициент термо-ЭДС: Желателен как можно более высокий коэффициент термо-ЭДС (для упрощения конструкции);
- Токсичность: Желательно отсутствие или малое содержание токсичных элементов (например: свинец, висмут, теллур, селен) или их инертное состояние (в составе сплавов);
- Рабочие температуры: Желателен как можно более широкий температурный диапазон для использования высокопотенциального тепла и, следовательно, увеличения преобразуемой тепловой мощности.
Пути развития и повышения КПД
- Эффективный термоэлектрический материал: КПД преобразования, термо-ЭДС, пластичность, тонкоплёночное исполнение.
- Эффективный и совместимый с теплообменником жидкометаллический теплоноситель.
- Расширение использования высококачественной керамики в конструкции ТЭГ.
- Унификация узлов, приспособленных для разных случаев применения.
- Предельное повышение энергоплотности ТЭГов до уровня автомобильных и авиационных двигателей и выше.
| Типы термоэлектрогенераторов и основных составляющих генераторных узлов | 1965 год. | 1970 год. | 1975 год. | 1980 год. | Карно. |
|---|---|---|---|---|---|
| Солнечная энергия без концентрации | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,92 | 0,96 |
| Солнечная энергия с концентрацией | 0,65 | 0,7 | 0,75 | 0,8 | 0,9 |
| Газовые горелки | 0,5 | 0,6 | 0,65 | 0,7 | 0,8 |
| Газовые топки | 0,75 | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,92 |
| Изотопы | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,95 | 1,00 |
| Атомные реакторы | 0,75 | 0,8 | 0,85 | 0,95 | 1,00 |
| Низкотемпературные термоэлектрические материалы | 0,06 | 0,08 | 0,1 | 0,12 | 0,5 |
| Среднетемпературные термоэлектрические материалы | 0,04 | 0,06 | 0,08 | 0,1 | 0,35 |
| Высокотемпературные термоэлектрические материалы | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,23 |
| Каскадные термоэлементы | 0,12 | 0,14 | 0,18 | 0,20 | 0,77 |
| Коммутация термоэлектрических батарей | 0,9 | 0,93 | 0,95 | 0,98 | 0,99 |
| Изоляция термоэлектрических батарей | 0,9 | 0,92 | 0,95 | 0,97 | 1,00 |
| Тепловой контакт | 0,9 | 0,93 | 0,95 | 0,97 | 0,99 |
| Теплоноситель | 0,9 | 0,92 | 0,93 | 0,94 | 0,98 |
| Охлаждающее оребрение наземное | 0,55 | 0,6 | |||
| Охлаждающее оребрение космическое | 0,8 | 0,85 | |||
| Солнечный космический термоэлектрогенератор без концентратора | 0,016 | 0,025 | 0,035 | 0,045 | 0,16 |
| Солнечный космический термоэлектрогенератор с концентратором | 0,017 | 0,029 | 0,043 | 0,061 | 0,25 |
| Солнечный наземный термоэлектрогенератор с концентратором | 0,029 | 0,044 | 0,088 | 0,145 | 0,59 |
| Газовый термоэлектрогенератор с оребрением | 0,013 | 0,023 | 0,030 | 0,043 | 0,20 |
| Газовый термоэлектрогенератор с теплоносителем | 0,02 | 0,035 | 0,073 | 0,175 | 0,57 |
| Радиоизотопный термоэлектрогенератор с оребрением | 0,021 | 0,032 | 0,049 | 0,12 | 0,36 |
| Радиоизотопный термоэлектрогенератор с теплоносителем | 0,032 | 0,075 | 0,129 | 0,24 | 0,71 |
| Реакторный космический термоэлектрогенератор | 0,016 | 0,023 | 0,044 | 0,113 | 0,36 |
| Реакторный наземный термоэлектрогенератор | 0,03 | 0,047 | 0,121 | 0,24 | 0,71 |
| Термоэлектрогенератор типа парового котла | 0,226 | 0,66 |
- Примечание: Коэффициент Карно = 1 соответствует 100 %.
Из таблицы заметен существенный рост КПД, связанный прежде всего с тщательным совершенствованием технологий изготовления материалов, рациональным исполнением конструкций, развитием материаловедения в области термоэлектричества.
Области применения термоэлектрогенераторов
 | Этот раздел не завершён. |
Термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов, предназначенных для исследования удаленных от Солнца регионов Солнечной системы. В частности, такие генераторы, использующие тепло плутониевых тепловыделяющих элементов установлены на космических аппаратах «Кассини» и «Новые горизонты». В последние годы термоэлектрические генераторы получили применение в автомобильной технике для рекуперации тепловой энергии, например для утилизации тепла элементов выхлопной системы.
Литература
- МГД-генераторы и термоэлектрическая энергетика. Киев. «Наукова думка».1983.г.
- Поздняков Б. С, Коптелов Е. А. Термоэлектрическая энергетика. М.: Атомиздат, 1974 г., 264 с.
- Термогенератор керосиновый // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. — М.: Советская энциклопедия, 1959.
 | Для улучшения этой статьи желательно: |
Примечания
- ↑ Термоэлектричество, эффект Пельтье, эффект Зеебека (недоступная ссылка)
- ↑ Peltier (1834). [ в «Книгах Google» “Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (New experiments on the heat effects of electric currents)”] Проверьте параметр
|url=(справка). Annales de Chimie et de Physique. 56: 371—386. - ↑ МГД-генераторы и термоэлектрическая энергетика. Киев. «Наукова думка».1983.г.
 |
Это заготовка статьи по физике. Вы можете помочь проекту, дополнив её. |
Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .