В материале рассказывается о принципах работы термоэлектрических генераторов и сферах их применения.
Львиная доля электроэнергии сейчас вырабатывается тепловыми электростанциями. Сжигая органическое топливо, на станциях через промежуточный теплоноситель (перегретый пар) приводятся в движение турбины электрогенераторов. Цепочка производства энергии сложная, опасная и дорогая. Но она позволяет создавать мощные блоки генерации электрической энергии с высоким КПД (коэффициентом полезного действия).
Есть ли альтернатива для более простого превращения тепла в электроэнергию? Физика говорит:”Да”. Техника говорит: “Пока нет”. О том, кто прав и какие трудности на пути преобразования тепла в энергию материал этой статьи. Способ непосредственного преобразования тепла в электрический ток известен еще с 1821 года, когда было открыто явление термоэлектричества, известное сегодня как эффект Зеебека.
При нагреве контакта двух разных металлов на концах проводников возникает разность потенциалов, а при их замыкании по цепи начинает протекать ток. Физики быстро разобрались, что величина тока прямо зависит от типа материалов, разности температур холодного и горячего спаев металла, теплопроводности и удельного сопротивления металлов. Большая разность температур и высокая проводимость увеличивают величину тока, в то время как высокая теплопроводность ослабляет эффект.
После длительных попыток создать термоэлектрический генератор (ТЭГ), используя металлы, в том числе и благородные, от этой идеи отказались. Металлы обладают малым удельным сопротивлением, что позволяет разнести пространственно холодный и горячий спай, но высокая теплопроводность, и, соответственно, подток тепла извне, снижают эффективность элементов. Результирующий КПД элементов ТЭГ, изготовленных из металлов, не превышает 1-2%. Про эффект надолго забыли, а спаи разнородных металлов нашли применение только в измерительной технике. Это знакомые термопары, предназначенные для измерения температур.
Первые практические конструкции ТЭГ появились только перед второй мировой войной. Русский ученый Иоффе предложил использовать вместо пары разнородных металлов полупроводники с разным типом проводимости. В этом случае разность потенциалов и мощность элементов ТЭГ возросла в сотни раз. Первый генератор ТЭГ-1 начали выпускать в 1942 году, и он получил название “Партизанский котелок”. Установленный на костре, генератор вырабатывал мощность от 2 до 4 Вт, достаточную для питания простого радиоприемника.
Сегодня потомки первого генератора служат геологам, туристам, и просто жителям отдаленных районов. Мощность таких генераторов небольшая – от 2 до 20 Вт. Более мощные (от 25 до 500 Вт) генераторы устанавливают на магистральных газопроводах для питания контрольно-измерительной аппаратуры или катодной защиты труб. Генераторы с мощностью 1 кВт и более питают аппаратуру метеостанций, но требуют высокотемпературных источников тепла: например, газа.
Об экзотических генераторах, преобразующих тепло радиоактивного распада непосредственно в электроэнергию, много говорить не приходится – слишком узкая сфера применения и деликатная информация. Известно только, что отдельные спутники в космосе оснащались подобными установками для бесперебойного электроснабжения аппаратуры.
В качестве примера современных изделий рассмотрим параметры термогенератора типа В25-12. Выходная электрическая мощность его составляет 25Вт при напряжении 12В. Рабочая температура горячей зоны – не более 400 градусов, вес до 8,5 кг, цена в районе 15000 рублей. Такие генераторы (обычно не менее 2) используются совместно с отопительным газовым котлом для обогрева помещений.
По такому же принципу сейчас разрабатываются более мощные модели ТЭГ мощностью 200 Вт. В тандеме с газовым котлом отопления коттеджей они обеспечивают электроэнергией не только автоматику котла и насоса для циркуляции воды, но и бытовые приборы и освещение.
Не смотря на свою простоту и надежность (отсутствуют движущиеся элементы), ТЭГ так и не получили широкого распространения. Причина тому – крайне низкая эффективность, не превышающая 5-7% даже для полупроводниковых материалов. Фирмы, которые разрабатывают подобные генераторы, изготавливают их небольшими партиями под заказ. Отсутствие массового спроса приводит к высоким ценам на продукцию.
Изменить ситуацию могло бы появления новых материалов для термопреобразователей. Но пока науке похвастать нечем: самые лучшие образцы ТЭГ так и не смогли перешагнуть рубеж 20% КПД. Несколько потешными в этой ситуации выглядят рекламные проспекты на ТЭГ, где декларируется эффективность более 90%. Может, пришло время ученым поучиться у ретивых коммивояжеров?