9.2. Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) относятся к устройствам, непосредственно преобразующим тепловую энергию в электрическую.

Основные преимущества ТЭГ:

– отсутствуют движущиеся части;

– нет необходимости в высоких давлениях;

– могут использоваться любые источники теплоты;

– большой ресурс работы.

В качестве источников энергии ТЭГ широко используют на космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих других установках.

В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, получаемая при распаде радиоактивных изотопов и делении ядер тяжелых элементов в реакторах, стала применяться в ТЭГ с конца 50-х гг. ХХ в.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. В 1921 г. Зеебек сообщил об экспериментах, связанных с отклонением магнитной стрелки вблизи термоэлектрических цепей. В этих исследованиях Зеебек не рассматривал задачу получения энергии. Сущность открытого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.

Эффект Зеебека можно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов неодинакова в разных проводниках и по-разному увеличивается при повышении температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, а у горячего – избыток положительных. В простейшем термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спая, поддерживающихся при разных температурах, возникает электрический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следовательно, тем выше ЭДС. Поэтому полупроводниковые элементы более эффективны, чем металлы.

Одно из практических применений ТЭГ – тепловой насос, в одной части выделяющий, а в другой – поглощающий теплоту за счет электрической энергии. Если изменить направление тока, то насос будет работать в противоположном режиме, т.е. части, в которых происходит выделение и поглощение теплоты, поменяются местами.

а б

Рис. 9.5. Схема работы теплового насоса: а  тепловой насос, обогревающий комнату зимой; б  тепловой насос, охлаждающий комнату летом

Такие тепловые насосы могут успешно применяться для терморегуляции жилых и прочих помещений. Зимой насосы нагревают воздух в помещении и охлаждают его на улице, а летом, наоборот, охлаждают воздух в помещении и нагревают на улице. На рисунке 9.5 показана схема работы теплового насоса в помещении.

В настоящее время созданы полупроводники, работающие при температуре более 500 С. Однако для промышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести примерно до 1100 С. При таком повышении температуры полупроводники различных типов проявляют тенденцию к превращению в собственно полупроводники, у которых числа носителей положительных и отрицательных зарядов равны. Эти заряды при создании градиента температуры перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве, и, следовательно, накапливание потенциала не происходит, т.е. не создается термоЭДС. Собственно полупроводники бесполезны для целей генерирования термоэлектрического тока.

Широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при высоких температурах. Для работы ТЭГ можно использовать теплоту, получаемую в реакторах при делении ядер тяжелых элементов. Однако в этом случае требуется решить ряд задач, в частности определить влияние эффекта сильного радиационного воздействия на полупроводниковые материалы, так как ядерное горючее может находиться в непосредственном контакте с ними.

Вопрос о целесообразности применения тех или иных источников энергии решается в пользу ТЭГ в тех случаях, когда ведущее значение имеет не КПД, а компактность, надежность, портативность, удобства.