Термоелектрически генератори на електрическа енергия TEG
Материалът разказва за принципите на работа на термоелектрическите генератори и техните области на приложение.
Лъвският дял от електроенергията сега се произвежда от топлоелектрически централи. Чрез изгаряне на изкопаемо гориво турбините на електрическите генератори се привеждат в движение на станциите чрез междинен топлоносител (прегрята пара). Веригата за производство на енергия е сложна, опасна и скъпа. Но ви позволява да създавате мощни агрегати за генериране на електрическа енергия с висока ефективност (ефективност).
Има ли алтернатива за по -лесно преобразуване на топлината в електричество? Физиката казва да. Техниката казва: „Още не“. За това кой е прав и какви са трудностите по пътя на превръщането на топлината в енергия, материалът на тази статия. Методът за директно преобразуване на топлината в електрически ток е известен от 1821 г., когато е открито явлението термоелектричество, което днес е известно като Зеебеков ефект.
Когато контактът на два различни метала се нагрява, в краищата на проводниците възниква потенциална разлика, а когато те са затворени, през веригата започва да тече ток. Физиците бързо разбраха, че големината на тока директно зависи от вида на материалите, температурната разлика между студените и горещите кръстовища на метала, топлопроводимостта и съпротивлението на металите. Големите температурни разлики и високата проводимост увеличават тока, докато високата топлопроводимост отслабва ефекта.
След дълги опити за създаване термоелектрически генератор (TEG)използвайки метали, включително благородни, тази идея беше изоставена. Металите имат ниско съпротивление, което прави възможно разделянето на пространственото студено и горещо съединение, но високата топлопроводимост и съответно притока на топлина отвън намаляват ефективността на елементите. Получената ефективност на TEG елементите, изработени от метали, не надвишава 1-2%. Ефектът беше забравен за дълго време и кръстовищата на различни метали бяха използвани само в измервателната техника. Това са познати термодвойки за измерване на температурите.
Първите практически проекти на TEG се появяват едва преди Втората световна война. Руският учен Йофе предложи да се използват полупроводници с различни видове проводимост вместо чифт различни метали. В този случай потенциалната разлика и мощността на TEG елементите се увеличават стотици пъти. Първият генератор TEG-1 започва да се произвежда през 1942 г. и е наречен „Партизански боулер“. Инсталиран на огън, генераторът произвежда 2 до 4 вата мощност, достатъчна за захранване на обикновен радиоприемник.
Днес потомците на първия генератор обслужват геолози, туристи и просто жители на отдалечени райони. Мощността на такива генератори е малка — от 2 до 20 вата. По -мощни (от 25 до 500 W) генератори са инсталирани на магистрални газопроводи за захранване на инструменти или катодна защита на тръбите. Генераторите с мощност 1 kW или повече захранват оборудването на метеорологичните станции, но изискват високотемпературни източници на топлина: например газ.
Няма много какво да се каже за екзотични генератори, които преобразуват топлината на радиоактивното разпадане директно в електричество — твърде тесен обхват и деликатна информация. Известно е само, че отделни спътници в космоса са оборудвани с подобни инсталации за непрекъснато захранване на оборудването.
Като пример за съвременни продукти, помислете за параметрите термогенератор тип В25-12… Изходната му електрическа мощност е 25W при напрежение 12V. Работната температура на горещата зона е не повече от 400 градуса, теглото е до 8,5 кг, цената е около 15 000 рубли. Такива генератори (обикновено поне 2) се използват заедно с газов котел за отопление на помещения.
Според същия принцип, повече мощни модели TEG с мощност 200 вата. В тандем с газов котел за отопление на вили, те осигуряват електричество не само за автоматизация на котела и помпата за циркулация на водата, но и за домакински уреди и осветление.
Въпреки своята простота и надеждност (няма движещи се елементи), TEG не е получил широко разпространение. Причината за това е изключително ниската ефективност, която не надвишава 5-7% дори при полупроводникови материали. Фирмите, които разработват такива генератори, ги правят на малки партиди по поръчка. Липсата на масово търсене води до високи цени на продуктите.
Ситуацията може да се промени с появата на нови материали за термични преобразуватели… Но досега науката няма с какво да се похвали: най -добрите проби от TEG не са успели да преминат 20% коефициента на ефективност. В тази ситуация рекламните брошури на TEG, където ефективността е обявена за повече от 90%, изглеждат донякъде забавни. Може би е време учените да се учат от ревностните търговци?