ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Термоэлектрические генераторы (ТЭГ)
ТЭГ являются устройствами прямого преобразования теплоты в электроэнергию при помощи термоэлементов, между спаями которых поддерживается перепад температур. Они предназначены для «малой» энергетики и используются для автономного энерго - и теплоснабжения различных наземных, морских и космических объектов, где применение традиционных источников тока не представляется возможным или экономически нецелесообразно.
ТЭГ включает в себя систему подвода теплоты, термоэлектрическую батарею (ТЭБ) с теплоконтактной электроизоляцией и систему отвода теплоты. Теплота внешнего источника (пламя горелки, радионуклид, ТВЭЛ, водяной пар и др.) подводится к горячему теплоприемнику или теплопроводу, на наружной поверхности которого установлена полупроводниковая термобатарея (низко-, средне-, высокотемпературная, каскадная), состоящая из множества ветвей р- и n-типа проводимости. Последовательно-параллельное соединение ветвей (прямоугольных, цилиндрических, радиально-кольцевых) осуществляется коммутационными шинами (алюминий, медь) методом пайки, прессования, диффузионной сварки, плазменного напыления или механическим прижимом. Спаи ТЭБ изолированы от горячего теплопровода и холодного корпуса электроизоляционными пластинами (оксидная керамика, слюда и др.). В некоторых генераторах для повышения надежности дополнительно устанавливается горячая охранная изоляция (плазменное напыление). Для защиты от окисления ТЭБ либо размещается в герметичном чехле, заполненном аргоном или азотом, либо покрывается антисублимационной эмалью, либо запрессовывается в матрицу из диэлектрического материала (слюда, полиамид и др.). Отвод теплоты от холодных спаев ТЭБ осуществляется серебренным холодным радиатором или хладагентом (вода, антифриз и др.). Конструкция генератора стягивается в пакет при помощи плоских или тарельчатых пружин, что позволяет обеспечить качественный тепловой контакт и высокую стойкость к термоциклированию (нагрев — охлаждение).
Мощность современных ТЭГ колеблется от нескольких микроватт до нескольких десятков киловатт, КПД преобразования — от 2 до 10 %, срок службы — от 1 до 25 лет, стоимость установленной мощности — от 12 до 190 дол/Вт.
Простейший полупроводниковый ТЭГ состоит из двух частей термоэлектрических материалов дырочной (р-тип) и электронной (n-тип) проводимости, соединенных коммутационными шинами и замкнутых на внешнее сопротивление rн (рис.2.3).
При наличии перепада температур DТ = Тг - Тх между противоположными спаями в замкнутой электрической цепи протекает постоянный ток I. Часть подводимого к горячим спаям теплового потока Qг преобразуется в электрическую мощность Nэл, а остальная часть Qx отводится от его холодных спаев.
1,2 — коммутационные шины; Qг , Qх — подводимый и отводимый тепловой поток; Тг, Тх — температуры горячего и холодного спаев; d — высота ветвей; I, rн — ток и сопротивление нагрузки.
Рисунок 2.3 - Схема ТЭГ
Основными параметрами ТЭГ являются ЭДС Е, ток I, напряжение U, внутреннее сопротивление r, сопротивление внешней нагрузки rн, нагрузочный коэффициент т, электрическая мощности Nэл и коэффициент полезного действия h:
(2.4)
(2.5)
где - коэффициент добротности;
a - коэффициент термо-ЭДС;
s - удельная электрическая проводимость;
l - теплопроводность;
- коэффициент термопроводности.
Широкое практическое применение в отечественных и зарубежных ТЭГ нашли следующие термоэлектрические материалы, которые условно делятся на три группы:
низкотемпературные материалы (0÷300 °С). К ним относятся халькогениды висмута и сурьмы Вi2(Те, Sе)3 (n-тип) и (Sb, Вi)2Те3 (р-тип);
среднетемпературные материалы (300÷600 °С) К ним относятся теллуриды свинца РbTе (п- и р-тип), теллуриды германия GеТе (р-тип) и теллурид олова SnТе (р-тип);
высокотемпературные материалы (600 °С и выше). К ним относятся сплавы кремния с германием SiGe (п - и р-тип).
Термогенераторы на органическом топливе. Такие ТЭГ нашли наибольшее практическое применение для электро - и теплоснабжения автономных объектов в нефтегазовой промышленности, метеорологии, навигации, сельском хозяйстве, армии и быту. В качестве источника теплоты в них используются продукты сгорания твердого (уголь, дрова, брикеты), газообразного (метан, пропан, пропан-бутан) и жидкого (бензин, керосин, дизельное) топлива.
С середины 70-х годов по настоящее время на магистральных газопроводах России успешно эксплуатируются свыше 12 тыс. газовых низкотемпературных ТЭГ первого поколения (УГМ-80, УГМ-80М) и двухкаскадных ТЭГ второго поколения (ГТГ-150) с инфракрасными горелками мощностью 80÷150 Вт, разработанных НПО «Квант» и серийно выпускаемых ОАО «Позит».
Низкотемпературные генераторы с каталитическими горелками мощностью от 10 до 90 Вт серийно выпускаются в России НПП БИАПОС и в США.
На базе генераторов ГТГ-150 и ГТЖ-160 АО «Саратовгазавтоматика» в начале 90-х годов освоило серийный выпуск автономных источников питания (АИП) мощностью 400, 750 и 900 Вт напряжением 27 В. За рубежом аналогичные АИП с ТЭГ на газовом топливе созданы в Канаде и в Японии.