Termoelektryczne generatory energii elektrycznej TEG

Materiał opowiada o zasadach działania generatorów termoelektrycznych i obszarach ich zastosowania.

Lwia część energii elektrycznej jest obecnie wytwarzana przez elektrownie cieplne. Dzięki spalaniu paliw kopalnych turbiny generatorów elektrycznych są wprawiane w ruch na stacjach za pomocą pośredniego nośnika ciepła (pary przegrzanej). Łańcuch produkcji energii jest złożony, niebezpieczny i kosztowny. Ale pozwala tworzyć potężne jednostki do wytwarzania energii elektrycznej o wysokiej wydajności (sprawności).

Czy istnieje alternatywa dla łatwiejszej konwersji ciepła na energię elektryczną? Fizyka mówi, że tak. Tech mówi: „Jeszcze nie”. O tym, kto ma rację i jakie są trudności na drodze zamiany ciepła na energię, stanowi materiał niniejszego artykułu. Metoda bezpośredniej zamiany ciepła na prąd znana jest od 1821 roku, kiedy to odkryto zjawisko termoelektryczności, znane dziś jako efekt Seebekova.

Kiedy styk dwóch różnych metali jest podgrzewany, na końcach drutów powstaje różnica potencjałów, a gdy są one zamknięte, prąd zaczyna płynąć przez obwód. Fizycy szybko zdali sobie sprawę, że wielkość prądu zależy bezpośrednio od rodzaju materiałów, różnicy temperatur między zimnymi i gorącymi złączami metalu, przewodności cieplnej i rezystancji metali. Duże różnice temperatur i wysoka przewodność zwiększają prąd, podczas gdy wysoka przewodność cieplna osłabia ten efekt.

Po długich próbach stworzenia generatora termoelektrycznego (TEG) z metali, w tym szlachetnych, zrezygnowano z tego pomysłu. Metale mają niską rezystancję, co umożliwia przestrzenne oddzielenie zimnego i gorącego złącza, ale wysoka przewodność cieplna i odpowiednio przepływ ciepła z zewnątrz zmniejszają wydajność elementów. Uzyskana sprawność elementów TEG wykonanych z metali nie przekracza 1-2%. Efekt ten został na długo zapomniany, a połączenia różnych metali stosowano jedynie w technice pomiarowej. Są to znane termopary do pomiaru temperatury.

Pierwsze praktyczne projekty TEG pojawiły się dopiero przed II wojną światową. Rosyjski naukowiec Yofe zasugerował użycie półprzewodników o różnych rodzajach przewodnictwa zamiast pary różnych metali. W tym przypadku różnica potencjałów i moc elementów TEG wzrastają setki razy. Pierwszy generator TEG-1 rozpoczął produkcję w 1942 roku i nosił nazwę „Guerrilla Bowler”. Zainstalowany na ogniu generator wytwarza od 2 do 4 watów mocy, co wystarcza do zasilenia zwykłego radia.

Dziś potomkowie pierwszego generatora służą geologom, turystom i po prostu mieszkańcom odległych terenów.Moc takich generatorów jest niewielka — od 2 do 20 watów. Mocniejsze (od 25 do 500 W) generatory są instalowane na głównych gazociągach do elektronarzędzi lub ochrony katodowej rur. Generatory o mocy 1 kW lub większej stanowią wyposażenie stacji pogodowej, ale wymagają źródeł ciepła o wysokiej temperaturze, na przykład gazu.

Niewiele można powiedzieć o egzotycznych generatorach, które przekształcają ciepło rozpadu radioaktywnego bezpośrednio w energię elektryczną — zbyt wąski zakres i wrażliwe informacje. Wiadomo jedynie, że poszczególne satelity w kosmosie są wyposażone w takie instalacje do ciągłego zasilania sprzętu.

Jako przykład nowoczesnych produktów rozważ parametry termogenerator typu B25-12... Jego wyjściowa moc elektryczna wynosi 25 W przy napięciu 12 V. Temperatura robocza gorącej strefy nie przekracza 400 stopni, waga do 8,5 kg, cena około 15 000 rubli. Takie generatory (zwykle co najmniej 2) są używane razem z kotłem gazowym do ogrzewania pomieszczeń.

Zgodnie z tą samą zasadą mocniejsze modele TEG o mocy 200 watów. W parze z kotłem gazowym do ogrzewania domków dostarczają energię elektryczną nie tylko do automatyki kotła i pompy obiegowej wody, ale także do urządzeń gospodarstwa domowego i oświetlenia.

Pomimo swojej prostoty i niezawodności (brak ruchomych części), TEG nie został powszechnie przyjęty. Powodem tego jest wyjątkowo niska sprawność, która nawet w przypadku materiałów półprzewodnikowych nie przekracza 5-7%. Firmy, które opracowują takie generatory, produkują je w małych partiach na zamówienie. Brak masowego popytu prowadzi do wysokich cen produktów.

Sytuacja może się zmienić wraz z pojawieniem się nowych materiałów na przetworniki termiczne... Jednak jak dotąd nauka nie ma się czym chwalić: najlepsze próbki TEG nie zdołały przekroczyć 20-procentowego współczynnika sprawności. W tej sytuacji trochę śmiesznie wyglądają foldery reklamowe TEG, w których deklarowana skuteczność przekracza 90%. Może nadszedł czas, aby naukowcy uczyli się od gorliwych marketerów?