Термоэлектрический генератор: устройство, принцип работы и применение

Термоэлектрический генератор (термогенератор ТЭГ) — это электрическое устройство, использующее эффекты Зеебека, Томсона и Пельтье для выработки электроэнергии за счет термо-ЭДС. Эффект термо-ЭДС был открыт немецким ученым Томасом Иоганном Зеебеком (эффект Зеебека) в 1821 г. В 1851 году Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) продолжил термодинамические исследования и доказал, что источником электродвижущей силы (ЭДС) является температурный перепад.

В 1834 году французский изобретатель и часовщик Жан Чарльз Пельтье открыл второй термоэлектрический эффект, установил, что разность температур происходит на стыке двух различных типов материалов под воздействием электрического тока (эффект Пельтье). В частности, он предсказал, что ЭДС возникает внутри одного проводника, когда присутствует температурный перепад.

В 1950 году русский академик и исследователь Абрам Иоффе открыл термоэлектрические свойства полупроводников. Термоэлектрический генератор энергии стали использовать в системах автономного электроснабжения в недоступных районах. Изучение космического пространства, выход человека в космос дали мощный толчок для бурного развития термоэлектрических преобразователей.

Радиоизотопный источник энергии был впервые установлен на космических кораблях и орбитальных станциях. Их начинают использовать в крупной нефтегазовой отрасли для антикоррозионной защиты газопроводов, в исследовательских работах на Дальнем Севере, в сфере медицины в качестве электрокардиостимуляторов, в жилищном хозяйстве как автономные источники электроснабжения.

Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах

Термоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на комплексном использовании эффекта трех ученых (Зеебека, Томсона, Пельтье), получили свое развитие почти через 150 лет после открытий, намного опередивших свое время.

Термоэлектрический эффект заключается в следующем явлении. Для охлаждения или генерации электричества используется «модуль» состоящий из электрически связанных пар. Каждая пара состоит из полупроводникового материала р (S> 0) и n (S<0). Эти два материала соединены проводником, термоэлектрическая мощность которого считается равной нулю. Две ветви (p и n) и все остальные пары, составляющие модуль, соединены последовательно в электрической цепи и параллельно в термической. ТЭГ (термоэлектрический генератор) с такой компоновкой создает условия, чтобы оптимизировать тепловой поток, который проходит через модуль, преодолевая его электрическое сопротивление. Электрический ток воздействует таким образом, что носители заряда (электроны и дырки) движутся от холодного источника к горячему источнику (в термодинамическом смысле) в двух ветвях пары. При этом они способствуют переносу энтропии от холодного источника к горячему, к тепловому потоку, который будет противостоять теплопроводности.

Если выбранные материалы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, этот тепловой поток, создаваемый движением носителей заряда, будет больше теплопроводности. Поэтому система передаст тепло от холодного источника к горячему и будет действовать как холодильник. В случае генерации электричества тепловой поток вызывает смещение носителей заряда и появление электрического тока. Чем больше разность температуры, тем больше электричества можно получить.

Эффективность ТЭГ

Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:

1. Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
2. Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.

Термин "эффективность термоэлектрических генераторов" аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.

Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.

Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрики состоят из специальных сплавов или полупроводниковых соединений. В последнее время для термоэлектрических свойств применяются электропроводящие полимеры.

Требования к термоэлектрикам:

• высокая эффективность, которая обусловлена низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью, высоким коэффициентом Зеебека;
• устойчивость к высоким температурам и термомеханическим воздействиям;
• доступность и безопасность окружающей среды;
• устойчивость к вибрациям и резким перепадам температур;
• долгосрочная стабильность и дешевизна;
• автоматизация процесса изготовления.

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД ТЭГ. Термоэлектрический полупроводниковый материал представляет собой сплав теллурида и висмута. Он был специальным образом изготовлен, чтобы обеспечить отдельные блоки или элементы с различными характеристиками «N» и «P».

Термоэлектрические материалы чаще всего изготавливаются путем направленной кристаллизации из расплавленной или прессованной порошковой металлургии. Каждый способ изготовления имеет свое особое преимущество, но наиболее распространены материалы с направленным ростом. В дополнение к теллуриту висмута (Bi 2 Te 3) существуют другие термоэлектрические материалы, в том числе сплавы свинца и теллурита (PbTe), кремния и германия (SiGe), висмута и сурьмы (Bi-Sb), которые могут использоваться в конкретных случаях. Пока термопары висмута и теллурида лучше всего подходят для большинства ТЭГ.

Достоинства ТЭГ

Достоинства термоэлектрогенераторов:

• выработка электричества происходит по замкнутой одноступенчатой схеме без использования сложных передающих систем и применения движущих частей;
• отсутствие рабочих жидкостей и газов;
• отсутствие выбросов вредных веществ, бросового тепла и шумового загрязнения окружающей среды;
• устройство длительного автономного функционирования;
• использование отработанного тепла (вторичные источники теплоты) с целью экономии энергоресурсов
• работа в любом положении объекта независимо от среды эксплуатации: космос, вода, земля;
• выработка постоянного тока при малом напряжении;
• невосприимчивость к короткому замыканию;
• неограниченный срок хранения, 100 % готовность к работе.

Сферы применения термоэлектрического генератора

Преимущества ТЭГ определили перспективы развития и его ближайшее будущее:

• изучение океана и космоса;
• применение в малой (бытовой) альтернативной энергетике;
• использование тепла от выхлопных труб автомобилей;
• в системах переработки мусора;
• в системах охлаждения и кондиционирования;
• в системах тепловых насосов, для мгновенного разогрева дизельных двигателей тепловозов и автомобилей;
• нагрев и приготовление пищи в походных условиях;
• зарядка электронных устройств и часов;
• питание сенсорных браслетов для спортсменов.

Термоэлектрический преобразователь Пельтье

Элемент Пельтье (ЭП) — это термоэлектрический преобразователь, работающий с использованием одноименного эффекта Пельтье, одного из трех термоэлектрических эффектов (Зеебека и Томсона).

Француз Жан-Шарль Пельтье соединил провода меди и висмута друг с другом и подключил их к батарее, создав таким образом пару соединений двух разнородных металлов. Когда батарея включалась, один из переходов нагревался, а другой охлаждался.

Устройства, основанные на эффекте Пельтье, чрезвычайно надежны, поскольку они не имеют движущихся частей, не нуждаются в техническом обслуживании, не имеют выбросов вредных газов, компактны и имеют возможность двунаправленной работы (нагрев и охлаждение) в зависимости от направления тока.

К сожалению, они малоэффективны, имеют низкий КПД, выделяют довольно много тепла, что требует дополнительной вентиляции и увеличивает стоимость устройства. Такие устройства потребляют довольно много электроэнергии и могут вызвать перегрев или конденсацию. Элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются.

Область применения ЭП

Внедрение передовых технологий в области производства термоэлектриков привело к удешевлению производства ЭП и расширению доступности рынка.

Сегодня ЭП широко применяется:

• в переносных охладителях, для охлаждения небольших приборов и электронных компонентов;
• в осушителях для извлечения воды из воздуха;
• в космических аппаратах для уравновешивания воздействия прямого солнечного света на одну сторону корабля, рассеивая тепло на другую сторону;
• для охлаждения фотонных детекторов астрономических телескопов и высококачественных цифровых камер, чтобы минимизировать погрешности наблюдения, возникающих из-за перегрева;
• для охлаждения компьютерных компонентов.

В последнее время широкое применение он получил и для бытовых целей:

• в устройствах кулеров, питающихся через USB-порт для охлаждения или нагрева напитков;
• в виде дополнительной ступени охлаждения компрессионных холодильников с понижением температуры до -80 градусов для одноступенчатого охлаждения и до -120 для двухступенчатого;
• в легковых автомобилях для создания автономных холодильников или обогревателей.

Китай наладил производство элементов Пельтье модификаций TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 стоимостью до 7 евро, которые могут обеспечить по схемам «тепло-холод» мощность до 200 Вт, сроком службы до 200 000 часов, работающих в температурной зоне от -30 до 138 градусов Цельсия.

Ядерные батарейки РИТЭГ

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) представляет собой устройство использующее термопары для преобразования тепла, выделяемое при распаде радиоактивного материала, в электричество. Этот генератор не имеет движущихся частей. РИТЭГ использовался в качестве источника энергии на спутниках, космических аппаратах, удаленных объектах маяков, построенных СССР для Полярного круга.

РИТЭГы, как правило, являются наиболее предпочтительным источником энергии для устройств, которым требуется несколько сотен Ватт мощности. В топливных элементах, батареях или генераторах установленных в местах, где солнечные элементы являются неэффективными. Радиоизотопный термоэлектрический генератор требует соблюдения строгих мер осторожного обращения с радиоизотопами в течение долгого времени после окончания его срока службы.

В России насчитывается порядка 1 000 РИТЭГов, которые использовались в основном для источников питания на средствах дальнего действия: маяках, радиомаяках и других специальных радиотехнических средствах. Первым космическим РИТЭГом на полонии-210 стал «Лимон-1» в 1962 году, затем «Орион-1» мощностью 20 Вт. Последняя модификация была установлена на спутниках «Стрела-1» и «Космос-84/90». «Луноходы»-1,2 и «Марс-96» использовали РИТЭГ в системах обогрева.

Устройство термоэлектрогенератора своими руками

Столь сложные процессы, которые протекают в ТЭГ, никак не останавливают местных «кулибиных» в стремлении присоединится к мировому научно-техническому процессу по созданию ТЭГ. Использование самодельных ТЭГ применяется уже давно. Во время Великой Отечественной войны партизаны делали универсальный термоэлектрогенератор. Он вырабатывал электрический ток для зарядки рации.

С появлением на рынке элементов Пельтье по доступными для бытового потребителя ценам возможно сделать ТЭГ самому, выполнив следующие шаги.

1. Приобрести два радиатора в магазине IT и применить термопасту. Последняя облегчит соединение элемента Пельтье.
2. Разделить радиаторы любым теплоизолятором.
3. Сделать отверстие в изоляторе для размещения элемента Пельтье и проводов.
4. Собрать конструкцию, и поднести источник тепла (свеча) к одному из радиаторов. Чем дольше нагрев, тем больше тока будет вырабатываться из домашнего термоэлектрического генератора.

Работает такой прибор бесшумно, и имеет небольшой вес. Термоэлектрический генератор ic2 в зависимости от размера, может подключить зарядку мобильного телефона, включить небольшой радиоприемник и светодиодное освещение.

В настоящее время многие известные мировые производители начали выпуск различных доступных гаджетов с применением ТЭГ для автолюбителей и путешественников.

Перспективы развития термоэлектрической генерации

Ожидается, что спрос на бытовое потребление ТЭГ вырастет на 14 %. Перспективы развития термоэлектрической генерации опубликовал Market Research Future, издав документ «Глобальный отчет по исследованию рынка термоэлектрических генераторов - прогноз до 2022 года» - анализ рынка, объем, доля, ход, тенденции и прогнозы. Доклад подтверждает перспективу ТЭГ в утилизации автомобильных отходов и системах совместного производства электроэнергии и тепла для бытовых и промышленных объектов.

Географически глобальный рынок термоэлектрических генераторов был разделен на Америку, Европу, Азиатско-Тихоокеанский регион, Индию и Африку. АТР считается самым быстрорастущим сегментом в области внедрения рынка ТЭГ.

Среди этих регионов Америка, по оценкам экспертов, является основным источником доходов на глобальном рынке ТЭГ. Ожидается, что увеличение спроса на экологически чистую энергию повысит спрос на него в Америке.

Европа также будет демонстрировать относительно быстрый рост в течение прогнозируемого периода. Индия и Китай будут наращивать потребление значительными темпами из-за увеличения спроса на транспортные средства, что приведет к росту рынка генераторов.

Компании по производству автомобилей такие, как Volkswagen, Ford, BMW и Volvo в сотрудничестве с NASA, уже приступили к разработке мини-ТЭГ для системы регенерации тепла и экономии топлива в автомобиле.