Теплоэлектрогенераторы: устройство, принцип работы и применение

Содержание

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.

Тепловой электрогенератор своими руками

Самодельный термоэлектрический генератор на элементах Пельтье может быть использован в полевых условиях для зарядки аккумуляторов. Можно подзарядить три пальчиковых аккумулятора на 3,6 вольт в сумме, или аккумулятор мобильника.

Данная конструкция имеет две части: электрическую и механическую.

Устройство электрической части теплогенератора

Используются четыре элемента Пельтье 12705, но можно использовать любые аналогичные. Элемент 12705 представляет из себя квадрат размером 4х4 см, толщиной 3 мм., производимый ток 5 Ампер, мощность 60 Ватт. Работа элемента Пельтье основана на том, что если нагреть одну сторону, а вторую сторону охладить, на выходе появляется электроток. При разнице температур в 100 градусов один элемент выдает 2 ватта, то есть 2 вольта и 1 ампер. В данной установке четыре элемента дают 8 ватт, 7-8 вольт, ток 0,7-0,8 Ампер. Элементы соединяются друг с другом последовательно плюс к минусу.

Товары для изобретателей. 🔥 Перейти в магазин. Ссылка.

Механическая часть

Использованы две пластины размером 10х10 и толщиной 1 мм, под ними находятся четыре элемента Пельтье. Таким образом, учитывая размеры Пельтье, по краям остается еще по 1 см. Пластины крепятся термопастой. Сверху устанавливается консервная банка или другая емкость, в которой будет в полевых условиях разжигаться огонь, обеспечивающий 170-180 градусов. Элементы Пельтье не рекомендуется нагревать до температуры выше 200 градусов. К нижней части ко второй пластине болтами прикрепляется алюминиевый или медный радиатор. К самому радиатору присоединяется болтами еще одна изогнутая пластина 20х12 см. К этой пластине параллельно радиатору прикреплена еще одна пластина для установки на нее заводского кожуха от аккумуляторов. К нему припаивается разъем для зарядки телефона.

Купить модуль Пельтье можно  этом китайском магазине.  Есть и специальный кулер охлаждения.

Подробнее о электрической схеме и испытании теплоэлектрогенератора смотрите далее в видео.

Можно отрезать всю левую часть и выкинуть на берег, но как раз от этого я и хотел избавиться – от лишних проводов разбросанных по берегу! На счет радиатора частично согласен. Что хочу отметить: алюминий имеет хорошую теплопроводность и разница температур между водой и холодной частью подложки 10-15 град. Ну пусть мы сделаем за счет квадратного радиатора 5-10 град. КПД вырастит на 5-7 процентов это не плохо, но в данном случае не критично. Спасибо за совет. В следующих сборках буду учитывать.

продолжение:

В другой статье мы рассказали об использовании модуля Пельтье для охлаждения процессора и описали конкретную модель элемента.

Термоэлектрический генератор: принцип работы

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

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

Термоэлектрический генератор - Thermoelectric generator

Термоэлектрический генератор ( ТЭГ ), также называемый генератором Зеебека , является полупроводниковое устройство , которое преобразует поток тепла ( температурные различия) непосредственно в электрическую энергию через явление , называемое эффект Зеебека (форма термоэлектрического эффекта ). Термоэлектрические генераторы работают как тепловые двигатели , но менее громоздки и не имеют движущихся частей. Однако ТЭГ обычно более дорогие и менее эффективные.

Термоэлектрические генераторы могут использоваться на электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную электрическую энергию и в автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов (ATG) для повышения эффективности использования топлива . Радиоизотопные термоэлектрические генераторы используют радиоизотопы для создания необходимой разности температур для питания космических зондов.

История

В 1821 году Томас Иоганн Зеебек заново открыл, что тепловой градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, может производить электричество. В основе термоэлектрического эффекта лежит тот факт, что температурный градиент в проводящем материале приводит к тепловому потоку; это приводит к диффузии носителей заряда. Поток носителей заряда между горячей и холодной областями, в свою очередь, создает разницу напряжений. В 1834 году Жан Шарль Атаназ Пельтье обнаружил обратный эффект: прохождение электрического тока через соединение двух разнородных проводников могло, в зависимости от направления тока, заставить его действовать как нагреватель или охладитель.

строительство

Термоэлектрические генераторы энергии состоят из трех основных компонентов: термоэлектрических материалов, термоэлектрических модулей и термоэлектрических систем, взаимодействующих с источником тепла.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрические материалы вырабатывают энергию непосредственно из тепла, преобразуя разницу температур в электрическое напряжение. Эти материалы должны иметь как высокую электропроводность (σ), так и низкую теплопроводность (κ), чтобы быть хорошими термоэлектрическими материалами. Низкая теплопроводность гарантирует, что когда одна сторона нагревается, другая сторона остается холодной, что помогает генерировать большое напряжение в условиях температурного градиента. Мера величины потока электронов в ответ на разницу температур в этом материале определяется коэффициентом Зеебека (S). Эффективность данного материала по выработке термоэлектрической энергии определяется его « добротностью » zT = S 2 σT / κ.

В течение многих лет основными тремя полупроводниками, обладающими как низкой теплопроводностью, так и высоким коэффициентом мощности, были теллурид висмута (Bi 2 Te 3 ), теллурид свинца (PbTe) и кремний-германий (SiGe). Некоторые из этих материалов содержат довольно редкие элементы, которые делают их дорогими.

Сегодня теплопроводность полупроводников можно снизить, не влияя на их высокие электрические свойства, с помощью нанотехнологий . Это может быть достигнуто путем создания наноразмерных элементов, таких как частицы, проволоки или границы раздела в объемных полупроводниковых материалах. Однако процессы производства наноматериалов все еще остаются сложными.

Термоэлектрическая схема, состоящая из материалов с различным коэффициентом Зеебека (полупроводники с p-легированием и n-легированием), сконфигурированная как термоэлектрический генератор.

Термоэлектрические преимущества

Термоэлектрические генераторы - это полностью твердотельные устройства, которым не требуются жидкости для топлива или охлаждения, что делает их независимыми от ориентации, что позволяет использовать их в условиях невесомости или в открытом море. Твердотельная конструкция позволяет работать в суровых условиях. Термоэлектрические генераторы не имеют движущихся частей, что обеспечивает более надежное устройство, не требующее обслуживания в течение длительного времени. Долговечность и устойчивость к окружающей среде сделали термоэлектрические приборы фаворитом для исследователей дальнего космоса НАСА среди других приложений. Одним из ключевых преимуществ термоэлектрических генераторов за пределами таких специализированных приложений является то, что они потенциально могут быть интегрированы в существующие технологии для повышения эффективности и снижения воздействия на окружающую среду за счет производства полезной энергии из отходящего тепла.

Термоэлектрический модуль

Термоэлектрический модуль - это цепь, содержащая термоэлектрические материалы, которые производят электричество напрямую из тепла. Термоэлектрический модуль состоит из двух разнородных термоэлектрических материалов, соединенных на концах: полупроводника n-типа (с отрицательными носителями заряда) и p-типа (с положительными носителями заряда). В цепи будет протекать постоянный электрический ток, когда между краями материалов существует разница температур. Как правило, величина тока прямо пропорциональна разнице температур:

J знак равно - σ S ∇ Т {\ Displaystyle \ mathbf {J} = - \ sigma S \ nabla T}

где - локальная проводимость , S - коэффициент Зеебека (также известный как термоЭДС), свойство местного материала, и - температурный градиент. σ {\ displaystyle \ sigma} ∇ Т {\ displaystyle \ nabla T}

На практике термоэлектрические модули в производстве электроэнергии работают в очень жестких механических и тепловых условиях. Поскольку они работают в условиях очень высокого температурного градиента, модули подвергаются большим термическим напряжениям и деформациям в течение длительных периодов времени. Они также подвержены механической усталости, вызванной большим количеством термических циклов.

Таким образом, соединения и материалы должны быть выбраны таким образом, чтобы они выдерживали жесткие механические и термические условия. Кроме того, модуль должен быть сконструирован таким образом, чтобы два термоэлектрических материала были термически параллельны, но электрически включены последовательно. На эффективность термоэлектрического модуля сильно влияет геометрия его конструкции.

Термоэлектрические системы

Используя термоэлектрические модули, термоэлектрическая система вырабатывает энергию, забирая тепло от источника, такого как горячий дымоход. Для работы системе необходим большой температурный градиент, что непросто в реальных приложениях. Холодная сторона должна охлаждаться воздухом или водой. Теплообменники используются с обеих сторон модулей для нагрева и охлаждения.

При разработке надежной системы ТЭГ, работающей при высоких температурах, возникает множество проблем. Достижение высокой эффективности в системе требует обширного инженерного проектирования, чтобы сбалансировать тепловой поток через модули и максимизировать температурный градиент между ними. Для этого разработка технологий теплообменников в системе является одним из наиболее важных аспектов проектирования ТЭГ. Кроме того, система требует минимизировать тепловые потери из-за границ раздела материалов в нескольких местах. Еще одно сложное ограничение - избежать больших перепадов давления между источниками нагрева и охлаждения.

Если требуется питание переменного тока (например, для питания оборудования, предназначенного для работы от сети переменного тока), мощность постоянного тока от модулей TE должна передаваться через инвертор, что снижает эффективность и увеличивает стоимость и сложность системы.

Материалы для ТЭГ

Лишь несколько известных на сегодняшний день материалов идентифицированы как термоэлектрические материалы. Большинство термоэлектрических материалов сегодня имеют добротность zT, равную примерно 1, например, в теллуриде висмута (Bi 2 Te 3 ) при комнатной температуре и теллуриде свинца (PbTe) при 500–700 К. Однако для того, чтобы быть Материалы ТЭГ, конкурирующие с другими энергосистемами, должны иметь набор 2–3 шт. Большинство исследований в области термоэлектрических материалов было сосредоточено на увеличении коэффициента Зеебека (S) и снижении теплопроводности, особенно за счет изменения наноструктуры термоэлектрических материалов. Поскольку и теплопроводность, и электропроводность коррелируют с носителями заряда, должны быть введены новые средства, чтобы при необходимости примирить противоречие между высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью.

При выборе материалов для термоэлектрической генерации необходимо учитывать ряд других факторов. В идеале во время работы термоэлектрический генератор имеет большой градиент температуры. Затем тепловое расширение вызовет напряжение в устройстве, которое может привести к поломке термоэлектрических ветвей или отделению от соединительного материала. Необходимо учитывать механические свойства материалов, а коэффициент теплового расширения материалов n- и p-типа должен быть достаточно хорошо согласован. В сегментированных термоэлектрических генераторах необходимо также учитывать совместимость материалов.

Коэффициент совместимости материала определяется как

s знак равно 1 - z Т - 1 S Т {\ displaystyle s = {\ frac {{\ sqrt {1-zT}} - 1} {ST}}} .

Когда коэффициент совместимости от одного сегмента к другому отличается более чем в два раза, устройство не будет работать эффективно. Параметры материала, определяющие s (а также zT), зависят от температуры, поэтому коэффициент совместимости может изменяться от горячей стороны к холодной стороне устройства даже в одном сегменте. Такое поведение называется самосовместимостью и может стать важным для устройств, предназначенных для работы при низких температурах.

В целом термоэлектрические материалы можно разделить на обычные и новые материалы:

Обычные материалы

Сегодня многие материалы ТЭГ используются в коммерческих приложениях. Эти материалы можно разделить на три группы в зависимости от температурного диапазона эксплуатации:

  1. Низкотемпературные материалы (примерно до 450 K): сплавы на основе висмута (Bi) в сочетании с сурьмой (Sb), теллуром (Te) или селеном (Se).
  2. Промежуточная температура (до 850 К): например, материалы на основе сплавов свинца (Pb)
  3. Материал для самых высоких температур (до 1300 K): материалы, изготовленные из кремний-германиевых (SiGe) сплавов.

Хотя эти материалы по-прежнему остаются краеугольным камнем для коммерческих и практических применений в термоэлектрической генерации, значительные успехи были достигнуты в синтезе новых материалов и изготовлении структур материалов с улучшенными термоэлектрическими характеристиками. Недавние исследования были сосредоточены на улучшении добротности материала (zT) и, следовательно, эффективности преобразования за счет снижения теплопроводности решетки.

Новые материалы

Генерация электричества за счет захвата гибкого термоэлектрического устройства PEDOT: PSS с обеих сторон ПЕДОТ: модель на основе PSS, встроенная в перчатку для выработки электричества за счет тепла тела.

Исследователи пытаются разработать новые термоэлектрические материалы для выработки электроэнергии, улучшая добротность zT. Одним из примеров этих материалов является полупроводниковое соединение ß-Zn 4 Sb 3 , которое обладает исключительно низкой теплопроводностью и демонстрирует максимальное значение zT 1,3 при температуре 670 К. Этот материал также относительно недорог и стабилен до этой температуры в вакууме и может быть хорошей альтернативой в температурном диапазоне между материалами на основе Bi 2 Te 3 и PbTe. Одним из наиболее интересных достижений в области термоэлектрических материалов была разработка монокристаллического селенида олова, который обеспечил рекордное значение zT 2,6 в одном направлении. Другие интересные материалы включают скуттерудиты, тетраэдриты и кристаллы гремящих ионов.

Помимо повышения добротности, все большее внимание уделяется разработке новых материалов за счет увеличения выработки электроэнергии, снижения стоимости и разработки экологически чистых материалов. Например, когда стоимость топлива низкая или почти бесплатная, например, при рекуперации отработанного тепла , тогда стоимость ватта определяется только мощностью на единицу площади и продолжительностью эксплуатации. В результате он инициировал поиск материалов с высокой выходной мощностью, а не эффективностью преобразования. Например, соединения редкоземельных элементов YbAl 3 имеют низкую добротность, но они имеют выходную мощность, по меньшей мере, в два раза больше, чем у любого другого материала, и могут работать в температурном диапазоне источника отходящего тепла.

Новая обработка

Для увеличения добротности (zT) теплопроводность материала должна быть минимизирована, а его электропроводность и коэффициент Зеебека - максимальными. В большинстве случаев методы увеличения или уменьшения одного свойства приводят к такому же эффекту на другие свойства из-за их взаимозависимости. Новая технология обработки использует рассеяние на разных частотах фононов для избирательного уменьшения теплопроводности решетки без типичных отрицательных эффектов на электрическую проводимость из-за одновременного повышенного рассеяния электронов. В тройной системе висмута и сурьмы и теллура жидкофазное спекание используется для создания низкоэнергетических полукогерентных границ зерен, которые не оказывают значительного эффекта рассеяния на электронах. Прорыв затем заключается в приложении давления к жидкости в процессе спекания, которое создает нестационарный поток жидкости с высоким содержанием Te и способствует образованию дислокаций, которые значительно снижают проводимость решетки. Возможность выборочного уменьшения проводимости решетки приводит к заявленному значению zT 1,86, что является значительным улучшением по сравнению с текущими коммерческими термоэлектрическими генераторами с zT ~ 0,3–0,6. Эти улучшения подчеркивают тот факт, что помимо разработки новых материалов для термоэлектрических применений, использование различных технологий обработки для создания микроструктуры является жизнеспособным и стоящим усилием. Фактически, часто имеет смысл работать над оптимизацией как состава, так и микроструктуры.

Эффективность

Типичный КПД ТЭГ составляет около 5–8%. В более старых устройствах использовались биметаллические переходы и они были громоздкими. В более современных устройствах используются высоколегированные полупроводники, изготовленные из теллурида висмута (Bi 2 Te 3 ), теллурида свинца (PbTe), оксида кальция-марганца (Ca 2 Mn 3 O 8 ) или их комбинаций, в зависимости от температуры. Это твердотельные устройства, и в отличие от динамо-машин у них нет движущихся частей , за исключением вентилятора или насоса.

Использует

Термоэлектрические генераторы имеют множество применений. Часто термоэлектрические генераторы используются для маломощных удаленных приложений или там, где более громоздкие, но более эффективные тепловые двигатели, такие как двигатели Стирлинга, были бы невозможны. В отличие от тепловых двигателей твердотельные электрические компоненты, обычно используемые для преобразования тепловой энергии в электрическую, не имеют движущихся частей. Преобразование тепловой энергии в электрическую может выполняться с использованием компонентов, которые не требуют обслуживания, обладают высокой надежностью и могут использоваться для создания генераторов с длительным сроком службы без обслуживания. Это делает термоэлектрические генераторы хорошо подходящими для оборудования с низким или умеренным потреблением энергии в удаленных необитаемых или труднодоступных местах, таких как горные вершины, космический вакуум или глубокий океан.

  • Распространенное применение - использование термоэлектрических генераторов на газопроводах. Например, для катодной защиты, радиосвязи и другой телеметрии. На газопроводах с потребляемой мощностью до 5 кВт тепловые генераторы предпочтительнее других источников энергии. Производителями генераторов для газопроводов являются Gentherm Global Power Technologies (ранее Global Thermoelectric) (Калгари, Канада) и TELGEN (Россия).
  • Термоэлектрические генераторы в основном используются в качестве удаленных и автономных генераторов энергии для необитаемых объектов. Они являются наиболее надежными генераторами энергии в таких ситуациях, поскольку у них нет движущихся частей (поэтому они практически не требуют обслуживания), работают днем ​​и ночью, работают в любых погодных условиях и могут работать без резервного аккумулятора. Хотя солнечные фотоэлектрические системы также реализованы в удаленных местах, солнечные фотоэлектрические системы могут не быть подходящим решением там, где солнечная радиация низкая, то есть в областях на более высоких широтах со снегом или без солнечного света, в областях с большим количеством облаков или навеса деревьев, пыльных пустынях, лесах, и т. п.
  • Gentherm Global Power Technologies (GPT), ранее известная как Global Thermoelectric (Канада), предлагает решения Hybrid Solar-TEG, в которых термоэлектрический генератор поддерживает солнечную батарею, так что если солнечная панель не работает, а резервная батарея резервного питания переходит в глубокую разрядку, тогда датчик запускает ТЭГ в качестве резервного источника питания до тех пор, пока Солнечная батарея снова не заработает. Тепло ТЭГ может производиться пламенем низкого давления, работающим на пропане или природном газе.
  • Многие космические зонды , включая марсоход « Марс Кьюриосити» , вырабатывают электричество с помощью радиоизотопного термоэлектрического генератора , источником тепла которого является радиоактивный элемент.
  • Автомобили и другие автомобили выделяют отходящее тепло (в выхлопных газах и охлаждающих агентах). Сбор этой тепловой энергии с помощью термоэлектрического генератора может повысить топливную экономичность автомобиля. Были исследованы термоэлектрические генераторы для замены генераторов переменного тока в автомобилях, демонстрирующие снижение расхода топлива на 3,45%, что представляет собой экономию в миллиарды долларов ежегодно. Прогнозы будущих улучшений - увеличение пробега гибридных автомобилей до 10%. Было заявлено, что потенциальная экономия энергии может быть выше для бензиновых двигателей, чем для дизельных двигателей. Подробнее читайте в статье: Автомобильный термоэлектрический генератор .
  • Помимо автомобилей, отходящее тепло также генерируется во многих других местах, например, в промышленных процессах и отоплении (дровяные печи, котлы на открытом воздухе, приготовление пищи, нефтяные и газовые месторождения, трубопроводы и башни удаленной связи).
  • Микропроцессоры выделяют отходящее тепло. Исследователи подумали, можно ли переработать часть этой энергии. (Тем не менее, см. Ниже возможные проблемы.)
  • Солнечные элементы используют только высокочастотную часть излучения, а низкочастотную тепловую энергию тратят впустую. Было зарегистрировано несколько патентов на использование термоэлектрических устройств в тандеме с солнечными элементами. Идея состоит в том, чтобы повысить эффективность комбинированной солнечной / термоэлектрической системы для преобразования солнечного излучения в полезное электричество.
  • Термоэлектрические генераторы также исследовались как автономные солнечно-тепловые элементы. Интеграция термоэлектрических генераторов была непосредственно интегрирована в солнечную тепловую ячейку с КПД 4,6%.
  • Корпорация Maritime Applied Physics в Балтиморе, штат Мэриленд, разрабатывает термоэлектрический генератор для выработки электроэнергии на глубоководных участках морского дна с использованием разницы температур между холодной морской водой и горячими флюидами, выделяемыми гидротермальными источниками , горячими просачиваниями или пробуренными геотермальными скважинами. Высоконадежный источник электроэнергии на морском дне необходим для океанических обсерваторий и датчиков, используемых в геологических, экологических и океанологических науках, разработчиками минеральных и энергетических ресурсов морского дна и военными. Недавние исследования показали, что глубоководные термоэлектрические генераторы для крупных энергетических установок также являются экономически выгодными.
  • Энн Макосински из Британской Колумбии , Канада, разработала несколько устройств, использующих плитки Пельтье для сбора тепла (от человеческой руки, лба и горячего напитка), которые, как утверждается, генерируют достаточно электричества для питания светодиодной лампы или зарядки мобильного устройства , хотя изобретатель признает, что по яркости светодиодный свет не может конкурировать с имеющимися на рынке.

Практические ограничения

Помимо низкой эффективности и относительно высокой стоимости, существуют практические проблемы с использованием термоэлектрических устройств в определенных типах приложений, возникающие из-за относительно высокого электрического выходного сопротивления, которое увеличивает самонагрев, и относительно низкой теплопроводности, что делает их непригодными для приложений, где тепло удаление имеет решающее значение, как и в случае отвода тепла от электрического устройства, такого как микропроцессоры.

  • Высокое выходное сопротивление генератора: чтобы получить уровни выходного напряжения в диапазоне, требуемом цифровыми электрическими устройствами, общий подход заключается в последовательном размещении множества термоэлектрических элементов внутри модуля генератора. Напряжения элементов увеличиваются, но увеличивается и их выходное сопротивление. Теорема о передаче максимальной мощности гласит, что максимальная мощность передается на нагрузку, когда сопротивления источника и нагрузки идентичны. Для нагрузок с низким импедансом, близких к нулю, по мере увеличения сопротивления генератора мощность, подаваемая на нагрузку, уменьшается. Чтобы снизить выходное сопротивление, некоторые коммерческие устройства размещают больше отдельных элементов параллельно и меньше последовательно и используют повышающий стабилизатор для повышения напряжения до напряжения, необходимого для нагрузки.
  • Низкая теплопроводность. Поскольку для передачи тепловой энергии от источника тепла, такого как цифровой микропроцессор, требуется очень высокая теплопроводность, низкая теплопроводность термоэлектрических генераторов делает их непригодными для рекуперации тепла.
  • Отвод тепла с холодной стороны воздухом: в термоэлектрических устройствах с воздушным охлаждением, например, при отборе тепловой энергии из картера автомобиля, большое количество тепловой энергии, которое должно рассеиваться в окружающий воздух, представляет собой серьезную проблему. По мере повышения температуры холодной стороны термоэлектрического генератора дифференциальная рабочая температура устройства уменьшается. С повышением температуры электрическое сопротивление устройства увеличивается, вызывая больший паразитный самонагрев генератора. В автомобилях иногда используется дополнительный радиатор для улучшения отвода тепла, хотя использование электрического водяного насоса для циркуляции охлаждающей жидкости увеличивает паразитные потери общей выходной мощности генератора. Водяное охлаждение холодной стороны термоэлектрического генератора, как при выработке термоэлектрической энергии из горячего картера бортового лодочного мотора, не страдает от этого недостатка. Вода - охлаждающая жидкость, которую гораздо проще использовать, чем воздух.

Будущий рынок

Хотя технология ТЭГ использовалась в военных и аэрокосмических приложениях на протяжении десятилетий, новые материалы и системы ТЭ разрабатываются для выработки энергии с использованием отходящего тепла при низких или высоких температурах, и это может предоставить значительные возможности в ближайшем будущем. Эти системы также можно масштабировать до любого размера и иметь более низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание.

В целом, инвестиции в технологию ТЭГ стремительно растут. Мировой рынок термоэлектрических генераторов оценивается в 320 миллионов долларов США в 2015 году. Согласно недавнему исследованию, ожидается, что TEG достигнет 720 миллионов долларов в 2021 году с темпами роста 14,5%. Сегодня Северная Америка занимает 66% рынка, и в ближайшем будущем она останется крупнейшим рынком. Однако, согласно прогнозам, рост в странах Азиатско-Тихоокеанского региона и Европы будет относительно более высокими. Исследование показало, что рынок Азиатско-Тихоокеанского региона будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) 18,3% в период с 2015 по 2020 год из-за высокого спроса на термоэлектрические генераторы со стороны автомобильной промышленности для повышения общей топливной эффективности. по мере роста индустриализации в регионе.

Небольшие термоэлектрические генераторы также находятся на ранних стадиях исследования носимых технологий, чтобы сократить или заменить зарядку и длительность ускоренной зарядки. Недавние исследования были сосредоточены на новой разработке гибкого неорганического термоэлектрика, селенида серебра, на нейлоновой подложке. Термоэлектрики представляют собой особую синергию с носимыми устройствами, собирая энергию непосредственно из человеческого тела, создавая автономное устройство. В одном проекте использовался селенид серебра n-типа на нейлоновой мембране. Селенид серебра - это полупроводник с узкой запрещенной зоной, обладающий высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, что делает его идеальным для термоэлектрических применений.

Маломощный ТЭГ или рынок «субватт» (т. Е. Генерирующий пиковую мощность до 1 Вт) - это растущая часть рынка ТЭГ, использующая новейшие технологии. Основными приложениями являются датчики, маломощные приложения и, в более широком смысле, приложения Интернета вещей . Специализированная компания по исследованию рынка сообщила, что в 2014 году было отгружено 100000 единиц, а к 2020 году ожидается 9 миллионов единиц в год.

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки

Определение технических характеристик термоэлектрического радиатора

 

В настоящее время в Российской Федерации значительно увеличивается парк автотранспортных средств, энергоустановки которых наносят значительный урон окружающей среде. Двигатели внутреннего сгорания, особенно применяемые на транспорте, выбрасывают около четвертивсех антропогенных парниковых газов, причем на долю углекислого газа приходится почти 90 %. Эти выбросы напрямую связаны со сгоранием топлива и пропорциональны его расходу.

На большинстве транспортных средств тепло, выделяемое двигателем внутреннего сгорания, используется лишь частично, путем передачи доли тепловой энергии от системы охлаждения ДВС к системе отопления салона. И даже в этом случае более 30 % энергии сгоревшего топлива рассеивается в атмосферу через охлаждающую жидкость.

Ведущие автопроизводители, в том числе GeneralMotors, BMW и Toyota, разработали собственные термоэлектрические генераторы для утилизации тепловой энергии отработавших газов [1–3] и проводят их моделирование и испытания, как лабораторные [4, с. 685], так и в составе транспортных средств [5, с. 378]. При этом другой не менее перспективный источник выбрасываемой тепловой энергии, такой как система охлаждения двигателя, позволяющий дополнительно улучшить энергоэффективность ДВС, рассматривается гораздо реже. В связи с этим, задача использования тепловой энергии, рассеиваемой системой охлаждения, является актуальной, и позволит повысить энергоэффективность ДВС и снизить расход топлива. Одним из возможных направлений утилизации тепловой энергии, отводимой системой охлаждения ДВС, является прямое преобразование ее в электроэнергию в термоэлектрических генераторах.

В работах [6, с. 525] и [7, с. 813] представлено исследование термоэлектрического генератора, смонтированного в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания на место штатного радиатора охлаждения. Данный генератор представляет собой систему из двух видов охлаждения — жидкостного и воздушного и включает в свою конструкцию тепловые трубки. Горячий блок генератора имеет впускные и выпускные патрубки для циркуляции охлаждающей жидкости, поступающей из системы охлаждения двигателя. Термоэлектрические генераторные модули смонтированы на обеих сторонах горячего блока генератора. Чтобы увеличить эффективную площадь охлаждения термоэлектрического генератора, в конструкции предусмотрен ряд ребер, установленных на тепловых трубках.

На рисунке 1 представлены составляющие элементы термоэлектрического генератора, вид сбоку и внутренняя структура горячего блока. Стрелки указывают направление течения горячего теплоносителя, в качестве которого выступает охлаждающая жидкость.

Рис. 1. Термоэлектрический генератор: а) — составляющие элементы; б) — вид сбоку; в) — внутренняя структура горячего блока

 

Максимальная электрическая мощность представленного генератора, полученная в ходе лабораторных испытаний, составила 75 Вт, что позволило утилизировать лишь 0,4 % тепловой энергии, рассеиваемой двигателем внутреннего сгорания (18 кВт) [6, с. 529] при движении транспортного средства со скоростью 80 км/ч.

Одним из наиболее значимых недостатков данной конструкции является наличие тепловых трубок, что значительно повышает себестоимость термоэлектрического генератора, а также снижает механическую прочность конструкции в целом.

Аналогичный генератор представлен в патенте [8], но в отличие от предыдущего примера, в конструкции могут применяться тепловые трубки различных конфигураций. Примеры конструкции термоэлектрического генератора, предназначенного для утилизации тепловой энергии системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Термоэлектрический генератор с тепловыми трубками различных конфигураций

 

Более целесообразным подходом, как с точки зрения снижения себестоимости термоэлектрического радиатора, так и упрощения последующего его внедрения в транспортное средство, является сохранение габаритных и присоединительных размеров с изменением сердцевины радиатора. Это позволит использовать разработанный термоэлектрический радиатор в серийно выпускаемых транспортных средствах с сохранением компоновочной архитектуры подкапотного пространства.

На рисунке 3 показана конструкция, разработанного на базе радиатора 21230–1301012, термоэлектрического радиатора с сохранением его габаритных и присоединительных размеров.

Рис. 3. Конструкция разработанного термоэлектрического радиатора: а) — вид спереди; б) — изометрический вид; в) — увеличенный местный вид; 1 — плоская трубка; 2 — термоэлектрический генераторный модуль; 3 — ребра охлаждения; 4 — вентилятор; 5 — кожух вентиляторов

 

Охлаждающая жидкость проходит по плоским трубкам (1), с двух сторон которых расположены термоэлектрические генераторные модули (2), к холодным сторонам которых примыкают ребра охлаждения (3). Благодаря постоянному подводу теплоты от охлаждающей жидкости к горячим сторонам термоэлектрических генераторных модулей и одновременному отводу теплоты ребрами в окружающий воздух, возникает эффект Зеебека, позволяющий получить электрическую энергию, направляемую либо в бортовую сеть транспортного средства или аккумуляторную батарею.

Для оценки работоспособности и эффективности разработанной конструкции термоэлектрического радиатора необходимо провести расчет его основных технических характеристик. Целью данного расчета является определение электрической мощности термоэлектрического радиатора, которая может быть получена в результате утилизации теплоты, рассеиваемой системой охлаждения двигателя, а, следовательно, и тепловой мощности радиатора в целом и сравнение ее с аналогичной характеристикой радиатора, используемого в качестве прототипа.

Как видно из представленной конструкции термоэлектрического радиатора, его расчетную модель можно значительно упростить, выделив основной многократно повторяющийся функциональный модуль. Такой модуль будет состоять из плоской трубки, одного термоэлектрического генераторного модуля и ребер охлаждения. Расчеты, проведенные для упрощенной модели, с учетом их взаимного расположения, позволят оценить технические характеристики разработанного термоэлектрического радиатора в целом. Графическое отображение расчетной модели термоэлектрического радиатора представлено на рисунке 4.

Рис. 4. Расчетная модель термоэлектрического радиатора

 

В общем случае, мощности тепловых потоков можно определить исходя из уравнений теплоотдачи и теплопроводности, следующих из закона Ньютона-Рихмана.

(1)

(2)

,(3)

где  — коэффициенты теплоотдачи, Вт/м2*К;

A — площади поверхности теплообмена, м2;

Т — температуры, К;

 — средний коэффициент теплопроводности термоэлектрического генераторного модуля с учетом дополнительных горячей и холодной стенок, Вт/м2*К.

Применяемые в рассматриваемых уравнениях, коэффициенты теплоотдачи от горячего и к холодному теплоносителю зависят от вида теплоносителя и его температуры, температурного напора, режима течения, состояния поверхности теплообмена и геометрии тела, поэтому они являются функциями процесса теплоотдачи и должны определяться в каждый момент времени независимо.

Средний коэффициент теплопроводности термоэлектрического генераторного модуля с учетом дополнительных горячей и холодной стенок также зависит от конструкции термоэлектрического генераторного модуля и используемых материалов и может быть определен по формуле:

,(4)

где  — толщина элемента, м;

 — теплопроводность, Вт/м*К.

Тепловой поток, рассеиваемый в окружающем воздухе, прямо пропорционален площади стенки и температурному перепаду между стенкой и воздухом. Если поверхность теплоотдачи одной стороны стенки увеличить с помощью металлических ребер, как это сделано в данном случае, то следует ожидать, что тепловой поток, относящийся к единице поверхности стенки, несущей оребрение, увеличится прямо пропорционально площади поверхности теплоотдачи. Однако, вследствие температурного градиента вдоль ребра, величина эффективного температурного напора значительно снизится. Поэтому общее увеличение теплового потока будет меньше ожидаемого. Для ребер с изолированной вершиной можно использовать следующее выражение:

(5)

где  — площадь межреберного пространства, м2;

 — площадь ребер, м2;

 — коэффициент эффективности оребрения.

Коэффициент эффективности оребрения определяется геометрическими параметрами ребер:

(6)

где П — периметр ребра, м;

 — площадь одного ребра, м2;

l — длина ребра, м.

При этом отдельно, необходимо учитывать преобразование тепловой энергии отработавших газов в термоэлектрических генераторных модулях в электрическую энергию с определенным коэффициентом полезного действия, который зависит от разницы температур холодной и горячей стороны [9, с. 143]:

(7)

Указанные зависимости (1–7), а также другие закономерности, применимые к процессам стационарного теплопереноса позволяют определить суммарную мощность теплового потока от охлаждающей жидкости к окружающему воздуху, а, следовательно, и электрическую мощность, вырабатываемую термоэлектрическим радиатором.

Как уже указывалось ранее, для разработки конструкции термоэлектрического радиатора был использован радиатор 21230–1301012. Суммарная тепловая мощность, рассеиваемая радиатором-прототипом при стандартных условиях (TОЖ=80°С, Твозд.=20°С), составляет 34,8 кВт. Определение тепловой мощности при стандартных условиях производится при определенных расходах горячего и холодного теплоносителей. В данном случае они составляют, соответственно 5,5 м3/час и 5000 кг/час. Данные параметры необходимо использовать в качестве начальных условий при определении технических характеристик термоэлектрического радиатора.

Основным отличием термоэлектрического радиатора от традиционного, является наличие в его конструкции термоэлектрических генераторных модулей. В связи с этим необходимо задаться их характеристиками, которые повлияют не только на величину полезной электрической мощности, но и на процессы теплообмена. В данном расчетном исследовании используется модель термоэлектрических генераторных модулей H-127–10–05-L2 производства ф. CrystalLtd, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики модуля H-127–10–05-L2

Наименование параметра

Единица измерения

Значение

Максимальная температура применения

°С

150

Габаритные размеры (длина х ширина, высота)

мм х мм, мм

30 х 34, 2. 8

Выходная электрическая мощность при температуре горячей стороны 150°С и градиенте температур 100°С

Вт

4.1

Мощность теплового потока, подводимого к горячей стороне, для получения максимальной мощности

Вт

97

 

Исходя из габаритных размеров термоэлектрических генераторных модулей и размеров радиатора-прототипа и ранее разработанной конструкции термоэлектрического радиатора, общее количество ТГМ составит 440, причем они могут быть равномерно распределены по 12 плоским трубкам для циркуляции охлаждающей жидкости, выполненным из алюминиевого сплава. Геометрические параметры элементов термоэлектрического радиатора, применяемые в расчетах процессов теплообмена по разработанной модели, показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Геометрические параметры элементов термоэлектрического радиатора

 

В результате расчета теплообмена с учетом начальных данных и геометрических параметров элементов термоэлектрического радиатора, была определена средняя температура на горячей стороне термоэлектрических генераторных модулей, которая составила 67,8°С. Итоговое значение тепловой мощности, отводимой от охлаждающей жидкости термоэлектрическим радиатором при стандартных условиях (TОЖ=80°С, Твозд.=20°С), составило 17,2 кВт. А полезная электрическая мощность, вырабатываемая термоэлектрическими генераторными модулями, составила 708 Вт.

При стандартных условиях тепловая мощность термоэлектрического генератора, полученная в результате расчетных исследований, значительно ниже аналогичной характеристики штатного радиатора, что может негативно отразиться на работе двигателя внутреннего сгорания, а в частности, значительно увеличить тепловые нагрузки. Для увеличения тепловой мощности термоэлектрического генератора могут быть применены следующие решения:

        замена материалов элементов термоэлектрического генератора (трубок и ребер охлаждения) для увеличения их теплопроводности;

        изменение геометрических параметров элементов термоэлектрического генератора для снижения общего термического сопротивления;

        установка термоэлектрических генераторных элементов только на части трубок для охлаждающей жидкости.

Замена используемых в термоэлектрическом радиаторе материалов и оптимизация геометрических параметров позволит увеличить не только тепловую мощность, отбираемую от охлаждающей жидкости, но и электрическую мощность, получаемую в результате прямого преобразования в ТГМ. Однако, вследствие относительно небольшого коэффициента теплопроводности термоэлектрических модулей, достижение требуемого значения тепловой мощности при реализации данных решений труднореализуемо.

Установка термоэлектрических генераторных элементов только на части трубок для охлаждающей жидкости значительно увеличит тепловую мощность, но негативно отразится на степени рекуперации тепловой энергии, отводимой системой охлаждения от двигателя внутреннего сгорания, т. к. часть энергии будет рассеиваться в окружающей среде без участия ТГМ. Таким образом, для достижения требуемых результатов по тепловой мощности термоэлектрического радиатора при сохранении эффективности рекуперации требуется комбинирование всех технических решений, приведенных ранее.

Разработанный термоэлектрический радиатор предназначен для утилизации части тепловой энергии, отводимой системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, с получением электроэнергии. Внедрение в конструкцию транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, разработанного термоэлектрического генератора позволит снизить потребление топлива и уменьшить отрицательное техногенное воздействие вредных выбросов с отработавшими газами на окружающую среду.

Работа проводится при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора № 14.Z56.15.3290-МК от "16" февраля 2015 года об условиях использования гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых с организациями — участниками конкурсов, имеющими трудовые отношения с молодыми учеными МК-3290.2015.8.

 

Литература:

 

  1. Gregory P. Prior, GM global technology operations LLC. Internal combustion engine exhaust thermoelectric generator and methods of making and using the same // ПатентСША № 2013/0000285, 03.01.2013.
  2. K. Shimoji, K. Suzuki, Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha. Thermoelectric generator for internal combustion engine // ПатентСША № 7687704, 30.03.2010.
  3. Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh, Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft. Thermoelektrische Vorrichtung mit Rohrbündeln // ПатентГермании № 102009033613, 20.01.2011.
  4. Khripach N. A., Papkin B. A., Korotkov V. S., Zaletov D. V. Study of the Influence of Heat Exchanger Body Design Parameters on the Performance of a Thermoelectric Generator for Automotive Internal Combustion Engine // Biosciences Biotechnology Research Asia (ISSN 0973–1245), 2015, Vol. 12 (Spl. Edn. 2), p. 677–689. doi: http://dx.doi.org/10.13005/bbra/2084.
  5. Khripach N. A., Papkin B. A., Korotkov V. S., Nekrasov A. S., Zaletov D. V. Effect of a Thermoelectric Generator on the Fuel Economy of a Vehicle Operating in a Real-world Environment // Biosciences Biotechnology Research Asia (ISSN 0973–1245), 2015, Vol. 12 (Spl. Edn. 2), p. 375–386. doi: http://dx.doi.org/10.13005/bbra/2049.
  6. Baatar, N., Kim, S. A thermoelectric generator replacing radiator for internal combustion engine vehicles. Telkomnika. 2011. Vol.9, No.3 P. 523–530.
  7. Kim, S., Park, S., Kim, S. and Rhi, S.-H. A thermoelectric generator using engine coolant for light-duty internal combustion engine powered vehicles. Journal of electronic materials. 2011. Vol. 40, No. 5 P. 812–816.
  8. Kim, S., Park, S, Chungbuk National University Industry Academic Cooperation Foundation. Thermoelectric cooling and power-generating apparatus // ПатентКореи № 100986657, 10.08.2010.
  9. Meng, F., Chen, L. and Sun, F. (2012). Effects of temperature dependence of thermoelectric properties on the power and efficiency of a multielement thermoelectric generator. International Journal of Energy and Environment, Volume 3, Issue 1, 137–150.

Термоэлектрогенератор « Попаданцев.нет

Тема термоэлектрогенераторов всплывает в попаданческих кругах раз за разом.
Ну а что — гальваническими элементами много электроэнергии не добудешь (да и дорого), строительство классического электрогенератора — тот еще геморрой, ну так почему не получить электричество всего лишь от разницы температур, как термопара? Ведь китайцы же продают дешевые генераторы на этом принципе?

Ну что же, давайте разберем как сам принцип так и то, что делают китайцы…

Такие генераторы работают на эффекте Зеебека, который был открыт Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году по отклонению магнитной стрелки. Сам Зеебек отрицал электрическую природу отклонения стрелки, он вообще считал, что магнитное поле в опыте возникает непосредственно из-за разницы температур. И вообще — магнитные полюса Земли возникли потому, что на полюсах холодно, а на экваторе жарко.

Чтобы понять, что это было за время, можно сказать, что за год до нахождения эффекта Зеебека было доказано влияние электрического тока на магнитную стрелку (спасибо Эрстеду), и именно в этом году Фарадей обнаружил электродвижущую силу — путь к электродвигателям и генераторам тока. Однако, если генератор Фарадея взял «низкий старт», то эффект Зеебека ожидал вплоть до Второй Мировой. Думаете, это случайность?


Впервые некое подобие генератора на эффекте Зеебека собрал Эрстед через пару лет:

Эрстед использовал спай свинец-висмут, горячие концы нагревал пламенем, а холодные опускал в воду. Штука, конечно, ядовитая, но нас интересует другой вопрос — а какую разность потенциалов при этом получил Эрстед?
На этот вопрос есть ответ.
В-первых давайте посмотрим на термоэлектрический ряд металлов:

А теперь посмотрим на табличку, собранную Augustus Matthiessen в 1862 году, которая показывает насколько большую разницу потенциалов мы получаем в вольтах относительно свинца на 1 градус цельсия:

Висмут +0,000089
Кобальт +0,000022
Ртуть +0,000000418
Свинец 0
Латунь —0,0000001
Медь —0,0000001
Платина —0,0000009
Золото —0,0000012
Серебро —0,0000030
Цинк —0,0000037
Мышьяк —0,00001336
Железо —0,00001715
Сурьма —0,0000226
Фосфор (красный) —0,0000297

Любуемся микровольтами и понимаем, что Эрстед был молодец, такое зафиксировать не каждому доступно!
Конечно, тут материалы простые (правда, не все доступны в древние времена), но, возможно с более хитрыми материалами будет все поинтереснее? Ну что же, есть и такая данные, но вряд она будет интересна попаданцу, потому что там примерно такие же числа, чуть лучше только у палладия, сплава платина-иридий, никеля и нейзильбера. Что интересно — этот дополнительный список и сейчас не очень-то и доступен…

Пра разнице температур в 100oC и температуре холодного спая в 0°С, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий — 0,643 мВ, нихром-никель — 4,1 мВ.
Милливольт!
При разнице в 100 градусов!

Ну что же, числа не радуют, но ведь Эрстед последовательно втыкал сразу шесть термопар, и если мы поставим шесть тысяч, то ведь напряжение будет заметно? В конце концов, в случае медь-константан при разнице температур в 500°С, при разнице потенциалов 0.027 B ток достигает сотен ампер (из-за малого сопротивления спая).
Вообще, какое там КПД у такого преобразователя?
И на этот вопрос есть ответ:КПД — 1-2%.
Напоминаем, что КПД паровоза на порядок выше!

И мне бы очень хотелось напомнить, что на подобные эффекты очень сильно влияет чистота металлов, для попаданца недоступная. И еще неплохо бы подумать, каким методом попаданец будет сваривать два разнородных металла. Конечно, сейчас в атмосфере инертного газа плазмой можно много чего сварить (но опять-таки не все). Как это сделать в древние времена — это самый настоящий квест на всю жизнь. Это я к тому, что в теории милливольты и 1% КПД, а на практике эффект может быть вообще на грани обнаружения.
Поэтому задумываться про конструкцию самого прибора (в котором должен быть очень заметный перепад температур) и вовсе не стоит.


Ну как же, возражают оппоненты — ведь есть же в продаже китайские термогенераторы (фотка в начале статьи), и мощность этих генераторов доходит до 200 Вт, а замахиваются даже на киловаттные!

Да, это верно.
Тут прикол ситуации в том, что такие генераторы — полупроводниковые. Там нет спаев металлов, там чудесные полупроводниковые сочетания, типа теллурида германия, селенида гадолиния, моносульфида самария или силицида магния. Ну ладно-ладно, возьмем что-нибудь попроще, покитайскее — типа теллурида висмута, ага. Главное — правильно вырастить монокристалл в помещении с чистотой класса M1. 5 😀
ИМХО, такой материал будет доступен попаданцу, если в его распоряжении будет разбитая летающая тарелка, потому что если у него всего лишь УАЗ-696 или даже СУ-25, то таких элементов вы в них не найдете. А даже если и будет материал, то как он будет выращивать полупроводниковые кристаллы?
И кроме всего прочего — КПД современных полупроводниковых преобразователей находится в пределах 5-7%. Самые лучшие (читай «самые дорогие») до сих пор никак не перешагнут предел в 20%, да и то — они сейчас в продаже недоступны. И если вы видите в рекламе надпись «КПД преобразователя 90%», то это имеется в виду преобразователь, спаренный с тем же котлом отопления, который утилизирует тепло, не ушедшее в воду, и данное КПД — это общее КПД нагревательного котла.

Удивительно ли, что сейчас такие преобразователи чаще всего используются для радиоизотопных источников тока космических аппаратов. Вы не помните, с какого года купцы начали возить оружейный плутоний? 😀

Общий вывод — если вы вдруг захотите в древности термоэлектричества — забудьте. Лучше растите селитряницы, по крайней мере материал для них будет доступен.

Энергетические системы | Энергетические и тепловые системы - NASA Radioisotope Power Systems

Марсоход «Марсианская научная лаборатория», Curiosity, сделал этот автопортрет, на котором в центре изображен его радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ).

Наследие разведки

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы или РИТЭГи обеспечивают электроэнергией космические корабли путем преобразования тепла, выделяемого при распаде плутониевого топлива-238 (Pu-238), в электричество с помощью устройств, называемых термопарами.Поскольку в них нет движущихся частей, которые могут выйти из строя или изнашиваться, ритэги исторически считались высоконадежным источником питания. Термопары использовались в РИТЭГах в общей сложности более 300 лет, и ни одна термопара никогда не прекращала выработку энергии.

Термопары широко используются в предметах повседневного обихода, которые должны контролировать или регулировать их температуру, например, в кондиционерах, холодильниках и медицинских термометрах. Принцип термопары состоит из двух пластин, каждая из которых изготовлена ​​из разного металла, проводящего электричество.Соединение этих двух пластин с образованием замкнутой электрической цепи при поддержании двух переходов при разных температурах дает электрический ток. Каждая из этих пар спаев образует индивидуальную термопару. В РИТЭГе радиоизотопное топливо нагревает один из этих переходов, в то время как другой переход остается ненагретым и охлаждается космической средой или планетарной атмосферой.

Многофункциональный радиоизотопный термоэлектрический генератор

Помеченный раздельный вид, показывающий основные компоненты MMRTG, или многоцелевого радиоизотопного термоэлектрического генератора.Изображение предоставлено НАСА.

Текущая модель РИТЭГа - многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор или MMRTG . Он основан на типе РИТЭГов, которые ранее использовались на двух спускаемых аппаратах «Викинг» и космических кораблях «Пионер 10» и «Пионер-11» (РИТЭГ SNAP-19). Он предназначен для использования в космическом вакууме или в атмосфере планеты. Избыточная тепловая энергия от MMRTG может использоваться как удобный и устойчивый источник тепла для поддержания надлежащих рабочих температур космического корабля и его инструментов в холодных условиях.

PPT - Тепловая электростанция PowerPoint Presentation, скачать бесплатно

  • турбина электрокотел-генератор Тепловая кинетическая химическая Тепловая кинетическая электрическая тепловая электростанция

  • турбины паровой котел-генератор конденсатор электрической энергии

  • Реактор Турбинный генератор Кинетическая электрическая тепловая кинетическая Ядерная тепловая энергия Ядерная энергия Атомные электростанции работают аналогично тепловым электростанциям, но вместо сжигания ископаемого топлива для производства тепла внутри реактора происходит ядерная реакция.

  • Уран - топливо, используемое на атомных электростанциях. Он не подлежит возобновлению, поэтому в конечном итоге он закончится. Однако его преимущество заключается в том, что небольшое количество урана может производить огромное количество энергии. 1 кг угля 30 МДж 1 кг урана 5 000 000 МДж Основным недостатком ядерной энергетики является то, что производимые отходы радиоактивны. Его нужно хранить под землей в свинцовых и бетонных контейнерах в течение тысяч лет.

  • Цепные реакции Нейтроны Урановое ядро ​​+ ЭНЕРГИЯ Продукты деления нейтронов Нейтрон выстреливает в ядро ​​урана, в результате чего оно распадается на фрагменты.Расщепление ядра урана называется делением, поэтому мы называем осколки продуктами деления. Когда ядро ​​урана расщепляется, выделяется энергия (которая нагревает воду в котле). Также выделяется больше нейтронов, которые могут расщепить больше ядер урана. Управляющие стержни используются в ядерных реакторах для поглощения некоторых из этих новых нейтронов, предотвращая выброс слишком большого количества энергии за короткое время.

  • Желтая книга Электростанции - Страница 79 Q12, Q13, Q16, Q18, Q20, Q24

  • расход воды резервуар низкого уровня турбина + генератор Гидроэлектростанция резервуар высокого уровня

  • трансмиссия линии резервуара трансформатор генератор поток воды турбина

  • Вода хранится на высоте за плотиной. Вода может стекать до нижнего уровня. Потенциальная кинетика. Вода проходит через турбину, вращающую лопасти, которая затем вращает генератор. Kinetic Electric

  • Накачиваемая гидроэлектростанция На гидроэлектростанции с насосом вода может перекачиваться из резервуара низкого уровня на более высокий уровень. Обычно это происходит ночью, когда спрос на электроэнергию ниже. Утром, когда мы просыпаемся и возникает потребность в электричестве, воде позволяют снова стекать вниз для выработки необходимой нам электроэнергии.

  • ÷ x Потенциальная энергия EP г м ч Пример 1 Плотина хранит 1,2 x 1010 кг воды и находится на 430 м выше турбины гидроэлектростанции. (а) Рассчитайте потенциальную энергию воды в плотине. (б) Каждую секунду по трубе к турбине подаётся 1280 кг воды. Рассчитайте количество энергии, доставленной электростанции за одну секунду.

  • (a) (b) Таким образом, за одну секунду производится 5,5 x 106 Дж энергии. Это означает 5.5 х 106 Дж в секунду. Но т.к. выходная мощность составляет 5,5 х 106 Вт, или 5,5 МВт.

  • Вопрос 1 Плотина сбрасывает 750 кг воды в трубу каждую секунду. Плотина находится на высоте 620 м над турбиной. (а) Рассчитайте потенциальную энергию этого количества воды в начале. (b) Рассчитайте выходную мощность электростанции, если бы она была эффективна только на 50%. 4650 000 Дж = 4,65 МДж 4,65 МДж = 4,65 МВт 50% от 4,65 МВт = 2,325 МВт

  • Желтая книга Преобразование энергии - Стр. 83 Q48 и Q51

  • Эффективность Когда происходит передача энергии, некоторая энергия всегда истощается или разлагается из-за тепла.Например, в лампе «Электрический свет + тепло» «Энергия в» - это электрическая энергия. «Выходящая энергия» - это энергия света. «Энергия впустую» - это тепловая энергия. Если передача энергии эффективна, то впустую тратится лишь небольшое количество энергии. Большая часть «входящей энергии» заменяется полезной «выходной энергией».

  • ÷ x Eout Ein Eff Некоторая энергия всегда тратится впустую, поэтому КПД всегда меньше 1. Иногда КПД записывается в процентах, например 1 можно записать как 100% 0.75 можно записать как 75% 0,37 можно записать как 37% (десятичная дробь умножается на 100, чтобы получить процент)

  • Пример 1 Атомная электростанция производит 1500 МДж электроэнергии. Для этого требуется 5 000 МДж тепловой энергии от реактора. Рассчитайте КПД электростанции. ** НЕТ БЛОКА **

  • ÷ x КПД также можно рассчитать по входной и выходной мощности. Pout Pin Eff КПД тепловой электростанции составляет 33%.Вырабатывает 600 МВт электроэнергии. Какую мощность должен производить котел?

  • Желтая книга Эффективность - страница 80 Q25 (a), (d) и (f) Q28, Q30, Q31, Q33, Q34, Q36

  • Тепловые электростанции потребляют много воды, но это медленно изменение

    Увеличить / Вид на выведенную из эксплуатации атомную электростанцию ​​Duke Energy Crystal River.

    Может показаться неожиданным, что по состоянию на 2015 год большая часть воды, забираемой из подземных и поверхностных источников в США, забиралась электроэнергетическим сектором.Орошение занимает второе место, а общественное снабжение - далеко на третьем месте.

    В 2015 году для производства тепловой энергии - всего, что сжигает топливо для создания газа или пара, который толкает турбину - потреблялось 133 миллиарда галлонов воды в день. Эта вода в основном используется для охлаждения оборудования, но часть ее также используется для снижения выбросов и других процессов, необходимых для работы электростанции.

    Эти галлоны в основном пресноводные, но некоторые прибрежные электрогенераторы действительно используют соленую или солоноватую воду для работы.Большая часть воды возвращается в экосистему, но часть ее также теряется при испарении. Возвращаемая вода часто может быть термически загрязненной, то есть теплее, чем идеально подходит для местной экосистемы.

    Но электроэнергетика уделяет больше внимания водным ресурсам. По данным Управления энергетической информации (EIA), количество воды, потребляемой на киловатт-час (кВтч) по всей стране, снижается с 2014 года. В том году электроэнергетический сектор использовал ошеломляющие 15.1 галлон воды на 1 кВтч произведенной воды. К 2017 году он использовал только 13 галлонов на кВтч.

    Слава возобновляемой энергии и резкому падению цен на природный газ. Ветровая и солнечная энергия, которая не использует воду для работы, стали намного более распространенными за последние четыре года, а газовые турбины с комбинированным циклом, сочетающие в себе газовую турбину с паровой турбиной, потребляют гораздо меньше воды, чем традиционные угольные или газовые электростанции. .

    Реклама

    Угольные и атомные электростанции, обе тепловые системы, которые очень водоемки, были выведены из эксплуатации значительными темпами по всей территории США с 2014 года.Новый уголь и атомная энергия также не добавлялись существенно с 2014 года.

    EIA указывает, что тепловые электростанции в восточной части США потребляют гораздо больше воды, чем тепловые электростанции на западе, потому что они построены для окружающей среды. Как правило, восточные растения могут использовать преимущества больших рек и озер, поэтому они, как правило, являются «прямоточными охлаждающими» установками, где много воды забирается из окружающей экосистемы, но много воды также возвращается в нее. «Поскольку в некоторых западных регионах воды меньше, многие электростанции в западных штатах оснащены системами рециркуляции, сухого охлаждения или гибридными системами охлаждения, которые требуют меньше воды для охлаждения, чем системы прямоточного охлаждения», - пишет EIA.

    EIA сравнивает Мэриленд с Ютой и Аризоной. Оба штата вырабатывают более 85 процентов электроэнергии на теплоэлектростанциях, но в 2017 году электроэнергетический сектор Мэриленда забирал 47 галлонов воды на 1 кВт · ч, который он производил, в то время как станции в Юте и Аризоне забирали менее половины галлона воды на кВт · ч. Те, кто живет в засушливых западных штатах (которые в настоящее время стали еще суше из-за изменения климата), возможно, слышали фразу «виски - для питья, вода - для сражений». Когда воды так мало, разумной мерой является инвестирование в дорогостоящие технологии охлаждения, которые минимизируют водозабор.

    Тем не менее, EIA утверждает, что потребление воды термоэлектрическими станциями остается значительным, несмотря на изменения, произошедшие за последние несколько лет.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *