Термоэлектрические генераторы

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

Термоэлектрические генераторы обладают специфическими особенностями, делающими их незаменимыми во многих случаях. К таким особенностям относится отсутствие движущихся частей, что, в частности, допускает использование более высоких температур цикла. Нет также необходимости в применении высоких давлений жидкостей или газов в основной схеме, поскольку цикл осуществляется посредством явлений, происходящих в самом термическом материале. Термоэлектрические генераторы можно использовать при больших и малых перепадах температур, а также при низких и высоких температурах, т. е. термоэлектрический цикл универсален, он допускает использование практически любых источников тепла.

Расход термоэлектрических материалов может быть небольшим, так как КПД термоэлемента теоретически не зависит от размеров, но связан со способами подвода тепла, с контактными сопротивлениями и другими конструктивными особенностями. Управление термоэлектрическим генератором может быть сведено только к регулированию источника тепла.

В настоящее время применение полупроводников и слоистых термоэлементов может обеспечить использование тепла с КПД более 10 %. Существенный вклад в развитие термоэлектрического метода внесли ученые нашей страны. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы под руководством академика А.Ф. Иоффе по термоэлектричеству в 30–40-х годах послужили толчком к началу исследований в США, Англии и Франции.

В настоящее время созданы термоэлектрогенераторы различных типов и назначений, использующие тепло радиоизотопных источников и ядерных реакторов, тепло органических топлив, солнца и выхлопных газов различных двигателей. Эти энергоустановки работают на автоматических метеорологических станциях в условиях Арктики и высокогорья, на космических, морских и подводных объектах, защищают от коррозии трубопроводы в условиях пустыни и в ряде других случаев.

Экономисты показали, что когда КПД достигнет 15 %, термоэлектрогенераторы будут конкурировать со многими другими энергоисточниками в различных областях науки и техники.

С конца 50-х гг. стали разрабатываться и осуществляться термоэлектрические генераторы, использующие тепло распада радиоактивных изотопов и энергию деления урана в ядерных реакторах. Такие энергетические установки большой мощности нашли применение в космических аппаратах, работающих в отрыве от земных энергетических ресурсов, в морском деле (маяки, метеорологические станции) и в других областях техники. В 1964 г. в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова был пущен первый в мире ядерный реактор с термоэлектрическим генератором тока мощностью 500 Вт.

Широкое распространение получили ТЭГ мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт. Спроектированы и начали производиться пока в небольших масштабах ТЭГ мощностью в единицы и даже десятки МВт.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. Сущность эффекта Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов. Экспериментальные исследования показали, что величина э.д.с. термопары зависит от используемых материалов и разницы в температуре горячего и холодного спаев.

Явление Зеебека можно качественно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному растет с температурой. 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, у горячего – избыток положительных. Поток этот более интенсивен в тех проводниках, у которых концентрация электронов больше. Поэтому даже в простейшем термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возникает электрический ток. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следовательно, тем выше э.д.с. Поэтому полупроводниковые элементы более эффективны, чем металлы.

Концентрацией и знаком электрических зарядов можно управлять, вводя в материалы полупроводников различные примеси. Термоэлектрический элемент образуется парой из полупроводников обоих типов – с электронной проводимостью дырочной проводимостью ( р-тип). На рис. 5.13 показана термопара, образованная из полупроводников п- и р-типа. В обеих ветвях термопары носители зарядов перемещаются от горячего спая к холодному. Поскольку за положительное направление электрического тока принимается направление движения положительного заряда, то направления токов в ветвях схемы совпадают (показаны стрелками на рисунке). Чтобы получить значительные величины э.д.с., полупроводниковый ТЭГ необходимо выполнить из множества последовательно соединенных термопар, каждая из которых состоит из полупроводников п- и р-типа.

В полупроводниках, так же как и в металлах, термо-э.д.с. прямо пропорционально разности температур горячего и холодного концов стержня. Отличие состоит в том, что термо-э.д.с. у полупроводников в 40 с лишним раз больше, чем у металлов. Так, если в типичном металле при разности температур 55°С термо-э.д.с. равна 0,2–0,3 мВ, то в полупроводнике, изготовленном из теллурида висмута, при этом же перепаде температур термо-э.д.с. равна 10 мВ. Примерные зависимости термо-э.д.с. от перепада температур приведены на рис. 5.14 для типичных полупроводников 1 и металлов 2.

При рабочих температурах Т≥900÷1000 К целесообразны сплавы 20–30 % Ge-Si, а при Т ≤ 600÷800°К – материалы на основе теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого термоэлектрического элемента показана на рис. 5.15.

Тепло Q1 подводится к термоэлектрическому элементу через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя, тепловой трубы или при непосредственном контакте с зоной тепловыделения реактора. Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводится от ТЭГ (излучением, теплоносителем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованы металлическими шинами 3 и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов с разностью температур ΔТ = Т1 – Т2.

Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разнородностью структуры ветвей 4 и 9. Ветвь р-типа с дырочной проводимостью получается введением в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного бора B.

Ветвь п-типа с электронной проводимостью образуется при легировании Si-Ge донорными атомами фосфора Р. Из-за повышенной химической активности и малой механической прочности полупроводниковых материалов соединение их с шинами 3, 5, 8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для достижения стабильной работы батарея ТЭГ герметизирована металлической кассетой, заполненной аргоном.

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, не создается термо-ЭДС.

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

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.