СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Термопары или термоэлектрический генератор (ТЭЛГ)

В основу приНциПа, действия ТЭЛГ положено физическое явление, открытое Вольта в последнем десятилетии XVIII века - возникновении контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разнородных проводников.

Одной из фундаментальных работ в этой области физики, положившей начало исследованиям в области термоэлектричества, явилась статья немецкого ученого Зеебека "К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающий в условиях разности температур", опубликованной в докладах Прусской академии наук в 1822 г.

Суть физического явления, наблюдавшегося Зеебеком в процессе его опытов и вошедшего далее в физику под термином "эффект Зеебека" заключалась в следующем. Если взять два спая из двух разнородных металлических материалов и обеспечить им разный температурный режим и соединить между собой эти спаи токопроводящей цепью, то магнитная стрелка около этой цепи будет поворачиваться на некоторый угол, пропорциональный электрическому току, который возникает в такой цепи, т. е вести себя так, как в присутствии некоторого магнитного поля.

Указанные выше спаи в ТЭЛГ обычно принято соединять последовательно из-за малой величины разности потенциалов на каждую пару проводников на единицу разности температур. Обычно указанная реальная разность температур в 500 0К обеспечивает в ТЭЛГ выходное напряжение не более 0,2 В.

Для иллюстрации сказанного в таблице 4.7 приведены значения разности потенциалов или ЭДС пары спаев различных материалов (металлы и полупроводники) или термоэлектрические ряды Юсти (1948 г) и Мейснера (1955 г.), являющиеся и сегодня основой для расчетов ТЭЛГ.

Полезная мощность в ТЭЛГ (К) может быть найдена по формуле:

Где £ - коэффициент Зеебека (мкВ/0К), (Т]-Т2) - разность температур двух спаев, I, А - электрический ток в цепи, Я, Ом - общее сопротивление элементов, зависящее от удельного сопротивления материалов, размеров и формы спаев. В целом правая часть (4.11) включает в себя две составляющих - подведенная мощность к ТЭЛГ, т. е. Б(ТгТ2)1 и неизбежные потери в цепи с сопротивлением Я, Ом и током I, А.

Для заданных параметров ТЭЛГ его КПД зависит только от величины тока I. Было установлено в экспериментах, что с уменьшением тока КПД вначале растет, а затем падает. Максимальное же значение КПД ТЭЛГ зависит от так называемой добротности используемого проводника. Для металлов добротность мала, поэтому для изготовления ТЭЛГ обычно используют легированные полупроводники (см. табл.4.7), для которых добротность при определенных температурах не превышает 0,0005 на 1 0К.

Даже в этом случае при температуре нагревателя от СИ в 1000 0К охладителя - в 300 0К общей КПД ТЭЛГ не превышает 7%. Получение подобных высоких температур от СИ реально возможно только за счет использования концентраторов СИ. В настоящее время продолжаются интенсивные поиски новых материалов для ТЭЛГ с целью повышения его КПД. В частности, при повышении его добротности в 10 раз с 0,0005 до 0,005 на 1 0К в диапазоне температур от 300 до 1000 0К КПД ТЭЛГ может увеличиться с 7% до 31%, что уже позволяет судить о перспективности подобных СЭУ.

Повышение добротности проводника в ТЭЛГ могут повысить и эффективность комбинированных систем с разными СЭУ. Например, ШиРоко распространенного плоского СК и ТЭЛГ (см. рис.4.19). Максимальная температура при этом ниже, но для достаточно узкого диапазона температур

Можно подобрать такую пару термоэлектрических генераторов, которые обеспечат достаточно высокую добротность. Так при температуре в 400 0К и добротности в 0,002 на 1 0К обЩиЙ КПД такой системы составит около 3,5%. Однако, если учесть, что получение подобной температуры в СК не связано с применением сложных концентраторов и следящих устройств за СИ, то подобная комбинированная СЭУ становится вполне приемлемой, в особенности для систем энергоснабжения ( тепло - и электроэнергия) автономных потребителей.