РОЗДІЛ 7. Термоелектричні генератори

Існує й прямий спосіб перетворення теплової енергії в електричну енергію. В основі цього способу лежить відомий у фізику напівпровідників ефект Зеебека. Ефект Зеебека полягає у виникненні термоелектрорушійної сили в електричному колі, складеної з матеріалів з різною концентрацією носіїв заряду, місця з'єднань яких нагріті до різних температур.

Розглянемо механізм виникнення термоелектрорушійної сили в напівпровідникових матеріалах. Нехай напівпровідник n-типу провідності має форму довгого тонкого бруска з металевими контактами на обох кінцях. Якщо один з кінців напівпровідникового бруска має більш високу температуру в порівнянні з іншим кінцем, теплова енергія вільних електронів на цьому кінці вище, чим на холодному його кінці. Отже, ці більш енергійні електрони, будуть рухатись до холодного кінця в більшій кількості, чому у зворотному напрямку. У результаті такого переміщення холодний кінець напівпровідника буде заряджатися негативно, а нагрітий кінець, внаслідок відходу електронів, здобуває позитивний заряд. У випадку напівпровідника р- типу провідності на холодному кінці утворюється надлишок позитивного заряду, а на гарячому його кінці утворюється надлишок негативного заряду. Якщо напівпровідник ізольований, то в міру збільшення різниці потенціалів на його кінцях, зростає електричне поле, що перешкоджає подальшому поділу зарядів. Однак, якщо напівпровідник, у якому є різниця температур, становить частину замкненого електричного ланцюга, то процес поділу зарядів не припиняється й електричному кола протікає струм. В існуючих конструкціях, з метою одержання більших значень струму, електричне коло складається з напівпровідникових елементів n і р типів провідності. У цьому випадку струми збігаються по напрямкові й підсилюють один одного. На рис. 7.1. показаний

Рис. 7.1. Пристрій найпростішого термоелектрогенератора

пристрій найпростішого термоелектрогенератора, складеного із двох напівпровідникових матеріалів з різними типами провідності. Металева пластина, що з'єднує два напівпровідники, нагрівається яким або джерелом тепла (Ті >То). Два протилежні охолоджувані кінці напівпровідників з'єднані з ланцюгом навантаження (Rh). яке й використовує, створювану термоелементом, електроенергію. У цій конструкції, що генерує струм спрямований у напівпровіднику р - типу провідності від гарячого кінця до холодного, а в напівпровіднику п- типу провідності від холодного до гарячого. Якщо температура гарячих кінців термоелемента рівна Т1, а холодних його кінців рівна То, то питома термоелектрорушійна сила (термо-е.р.с.) дорівнює сумі питомих термо-е.р.с. окремих його галузей:

Повну термо-е.р.с. елемента можна виразити за допомогою наступного виразу:

Струм, що протікає через навантажувальний опір:

Де: RH - опір навантаження; Ro - внутрішній опір термоелемента.

Корисна потужність, яку можна одержати в навантаженні, визначається так:

Де U - напруга на навантажувальному опорі, який можна записати у вигляді:

Використовуючи вираження (2.7) - (4.7) одержимо:

При визначенні реальної величини коефіцієнта корисної дії необхідно враховувати наявність втрат тепла за рахунок теплопровідності до холодних кінців термоелектрогенератора, і втрати, обумовлені нагріванням струмом, що протікає. Реальні значення коефіцієнта корисної дії термоелектрогенератора лежать у межах 10-30%.

Окремі пари елементів термоелектричних генераторів генерують малу напругу. Для одержання необхідних значення струмів і напруг, окремі елементи з'єднуються в батареї послідовно - для одержання більших напруг і паралельно - для одержаннябільших струмів.

Рис. 7.2. Послідовне з'єднання термоелектрогенераторів

При такому послідовно-паралельному з'єднанні підвищується потужність, що віддається. На рис. 7.2. показаний приклад послідовного з'єднання елементів термоелектрогенераторів.

На рис. 7.3. показаний зовнішній вигляд одного з малопотужних термоелектрогенераторів, що випускається промисловістю. Цей термоелектрогенератор віддає в навантаження потужність близько 16 Вт, при наявності перепаду температур в 20-25 градусів, між його, що нагрівними й охолоджуваної поверхнями. Термоелектричні батареї мають наступні основні переваги перед іншими джерелами електроживлення: вони характеризуються тривалим терміном служби й практично необмеженим строком зберігання при повній

Рис. 7.3. Зовнішній вигляд одного з малопотужних термоелектрогенераторів

готовності до роботи в будь-який час, не вимагають спеціального обслуговування, стійкі в роботі, дають стабільна напруга, не бояться короткого замикання й режиму холостого ходу. Крім того, через відсутність частин, що рухаються, термоелектричні генератори повністю безшумні в роботі, що дає їм перевагу перед машинними джерелами постійної напруги. Завдяки цим властивостям термоелектричні генератори знаходять застосування в областях, де потрібні надійні джерела електроенергії, що володіють тривалим строком експлуатації й не потребуючі обслуговування: автоматичні метеостанції, морські маяки, автономні космічні апарати. V якості джерел тепла в них можуть використовуватися радіоактивні ізотопи або ядерні реактори. Для роботи автоматики газових свердловин застосовуються ТЕГ, що використовують перепад температур навколишнього середовища й газу зі скважини. Для котеджів і заміських будинків розроблений ТЕГ потужністю 200 Вт. Він являє собою газовий котел, що виробляє одночасне тепло для опалення й електроенергію. Цей генератор дозволяє забезпечити безперебійне електроживлення системи опалення (автоматики, циркуляційних насосів), що робить її повністю незалежної від зовнішньої електромережі. Крім того, цей пристрій може бути резервним джерелом електроживлення для широкого спектра побутових приладів. На рис. 7.4. показана конструкція цього термоелектричного генератора.

На цьому Рис.: 1 - підведення газу; 2 – газовий пальник; 3 - термоелектричні батареї; 4 - водяні теплообмінники; 5 – корпус генератора; б - система знімання генерованої електроенергії; 7 - вивід тепла Пристрій працює в такий спосіб: продукти згоряння природного газу, пропану або пропан - бутанової газової суміші нагрівають ребра термоелектричних батарей. Інші сторони батарей прохолоджуються водою. За рахунок утвореної різниці температур на кінцевих шинах батарей (+)

Рис. 7.4. Пристрій термоелектричного генератора