Термоэлектрогенераторы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Термоэлектрический генератор - устройство для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термоэлектрических генераторов изготовляют на основе термоэлементов. Наиболее эффективны термогенераторы с использованием сложных полупроводниковых соединений; их мощность может достигать нескольких десятков ВТ, кпд - 20% (при перепаде температур горячих и холодных спаев термоэлементов - около 1000 К). Т.г. особенно эффективны при использовании тепла, выделяющегося при работе ракетных двигателей, ядерных реакторов, доменных печей и др.

Термоэлектрогенератор предназначен для питания различной радиоаппаратуры, средств связи, освещения и подзарядки аккумуляторов. Преобразует тепло бытовых источников (керогаза, примуса, газовой горелки, печки, костра) в электрическую энергию.

1. Термоэлектрогенераторы на твердом топливе

ТЭГ, работающий на древесном угле и охлаждаемый водой или воздухом. Конструктивная схема показана на рис. 7.3. Их основные характеристики указаны в табл. 7.1.

Рис.7.3. Конструктивная схема термоэлектрогенератора на твердом топливе

Таблица 7.1. Характеристики ТЭГ на древесном угле

ТЭГ с нагревом горячих спаев за счет сжигания древесного угля и охлаждением холодных спаев кипящей водой (см. рис. 7.4, 7.5) имеет чугунную топку 6, в которой происходит горение угля, загружаемого в бункер 4 через горловину 1. Продукты сгорания уходят через трубу 2. В пространстве между внутренним кожухом 3 и наружным кожухом 5 находится кипящая вода, которая поддерживает температуру холодных спаев ТЭЭЛ около 100°C. Термоэлементы 8 электрически изолированы от конструкции установки тонкими слоями слюды. Тепловой контакт между кожухом 3 и ТЭЭЛ осуществляется легкоплавким сплавом, залитым между ними.

Рис.7.4. ТЭГ с водяным охлаждением: 1 - горловина бункера; 2 - дымовая труба; 3 - внутренний кожух; 4 - бункер для топлива; 5 - наружный кожух: 6 - топка; 7 - чугунный корпус топки; в - ТЭЭЛ; 9 - вывод тока; 10 - зольник; 11 - чугунный коллектор охлаждения; 12 - кольцевая полость для воды

В ТЭГ имеются две независимо работающие батареи ТЭЭЛ: одна для питания цепей накала, другая - для питания (с помощью вибропреобразователя) анодных и сеточных цепей. Недостатки такого ТЭЭЛ: сложность осуществления теплового контакта между ТЭЭЛ и холодильником, наличие кипящей воды и трудность управления угольной топкой.

Рис.7.5. ТЭГ с воздушным охлаждением: 1 - заслонка в дымовой трубе; 2 - люк для засыпки топлива; 3 - наружный кожух бункера; 4  - внутренний кожух бункера; 5 - стержень для рыхления топлива; 6 - ребро воздушного охлаждения; 7 - уплотнение между бункером и топкой; 8 - коллектор охлаждения ТЭЭЛ; 9 - ТЭЭЛ; 10 - холодный контактный слой; 11 - вывод тока: 12 - низ топки (зольник)

ТЭГ на дровах и угле

Дальнейшее развитие ТЭГ на твердом топливе привело к созданию еще нескольких моделей более крупных ТЭГ мощностью до 500 Вт и более. Эти агрегаты представляли собой печи, использующие уголь или дрова, с термобатареями, вмонтированными в стенки.

В качестве примера приведем генераторы, разработанные для Дальнего Севера на 200 и 500 Вт, работающие на любом топливе - дровах, угле, нефти. Генератор мощностью 200 Вт потреблял около 2 кг дров за 1 ч.

Он предназначался для получения электроэнергии, горячей воды или пара, используемых в животноводстве. Однако работа ТЭГ на угле неустойчива из-за трудностей обеспечения равномерной подачи топлива. Очередной пуск ТЭГ требовал предварительной чистки топки, выход на мощность занимал много времени и т.п. Поэтому дальнейшее развитие ТЭГ пошло по пути использования жидкого топлива.

Промежуточные ТЭГ на твердом и жидком, топливе

Преимущества жидкого топлива вызвали появление промежуточных конструкций, пригодных для работы, как на жидком, так и на твердом топливе. К таким конструкциям относится показанная на рис. 7.6 схема установки ТЭГ по американскому патенту.

Рис.7. 6. Схема ТЭГ по американскому патенту: 1 - холодные концы ТЭЭЛ; 2 - горячие концы ТЭЭЛ; 3 - изоляционные диски из фибергласа; 4 - спиртовая лампа; 5 - стойка треножника; 6 - корпус из бакелита

Здесь 145 термоэлектрических элементов из проволоки диаметром 0,5 мм заделаны холодными концами в дно бакелитового стакана диаметром 5 см, поддерживаемого треножником. Горячие концы элементов нагреваются пламенем обычной спиртовой горелки. Одна ветвь ТЭЭЛ из константана, другая - из сплава никеля (91%) с молибденом (9%). Выходное напряжение генератора 6 В.

Эта схема очень напоминает схему ТЭГ-1, но в другом конструктивном исполнении: с металлическими ТЭЭЛ и заменой костра спиртовой горелкой.

2. Термоэлектрогенераторы на жидком топливе

ТЭГ на керосине типа ТГК-1, ТГК-3 и ТГК-2-2-ТЭГ на керосине основаны на применении в качестве источника тепла обычных осветительных керосиновых ламп и наряду с получением электроэнергии являются источниками света. Конструктивные схемы ТГК-1, ТГК-3 и ТГК-2-2 одинаковы: раскаленные продукты сгорания керосина нагревают горячие спаи ТЭЭЛ из SbZn и константана, холодные спаи имеют ребра воздушного охлаждения. Мощность ТГК-1 около 1,6 Вт, ТГК-3 около 3 Вт. Основные характеристики ТГК-3 указаны в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Рис.7.7. Тепловая труба- ТЭГ ТГК-3.1 - рассеиватель горячих газов, 2 - труба для вывода продуктов сгорания; 3 - ребра охлаждения; 4 - клеммовая колодка; 5 - цепи; 6 - труба с ребрами для нагрева ТЭЭЛ;7 - ламповое стекло; 8 - резервуар для керосина; 9 - нижний держатель лампы

На рис. 7.7 показан генератор ТГК-3, который по своей основной конструктивной схеме мало отличается от ТГК-1, но имеет большую мощность. В этом ТЭГ применена 20-линейная кругло-фитильная керосиновая лампа 8 и 7, а металлическая тепловая труба. 2 и 6, показанная на рис. 7.7, имеет 14 граней для ТЭЭЛ. Каждый блок ТЭЭЛ охлаждается одним самостоятельным двойным ребром 3, как и в ТГК-1. Высота ТГК-3 от нижнего среза лампы 8 до кольца 1 около 1 м, диаметр радиатора 300 мм. Однократной заправки лампы хватает примерно на 10 ч работы.

Генерируемой ТГК-3 энергии вполне достаточно для питания различных радиоприемников и других устройств, потребляющих напряжение 1 - 2 В при токе 0,3 - 0,5 А и напряжение 90 - 120 В при токе 8 - 11 мА.

3. ТЭГ на газообразном топливе

Использование газа упрощает регулирование подводимого тепла (легко осуществляется регулированием давления газа в горелке), обеспечивает хорошее сгорание топлива при различных температурах и не сопровождается накоплением шлаков. Все это создает условия для длительной и устойчивой работы ТЭГ. В частности, пятидесятые годы характеризуются строительством трубопроводов для доставки природного газа и нефти на большие расстояния к центрам потребления. С этим связано и начало у нас широкого использования ТЭГ на газообразном топливе для катодной защиты газопроводов и других трубопроводов от коррозии (в районах, не имеющих электростанций), для обеспечения сохранности трубопроводов при минимальных затратах, а также для других целей.

Газопроводы, находящиеся в поле блуждающих токов или в агрессивных грунтах, быстро выходят из строя в результате появления раковин, свищей и других повреждений в тех местах, где нарушена изоляция трубопроводов.

Станция катодной защиты трубопроводов представляет собою источник постоянного тока мощностью до 0,5 - 1 кВт при 10 - 20 В, отрицательный полюс которого присоединен с помощью изолированного кабеля к газопроводу, а положительный заземлен.

Для катодной защиты в России создано несколько типов ТЭГ мощностью от 10 до 300 Вт, в том числе ТГГ-10 и ТГГ-16. Они имеют по одной батарее ТЭЭЛ и работают на газовом топливе. Батареи состоят из отдельных секций. Горячий спай прижат к силуминовому теплопередатчику, холодный - к охлаждающим алюминиевым ребрам. Батарея представляет собою цилиндр, в нижней части которого помещена газовая горелка (ПБ-40-4), к которой газ поступает под избыточным давлением около 0,015 атм. В установке ТЭГ имеется электромагнитный клапан, способный отсекать подачу топлива. Обычно газ подается к ТЭГ от газопроводов, подведенных к домам ремонтников-обходчиков.

Генератор ТГГ-10 в основном не отличается по принципу действия от генераторов общего назначения, в нем лишь вместо керосиновой лампы используется газовая горелка. В ТЭГ ТГГ-16 применен усовершенствованный способ отвода тепла от горячих газов с помощью перфорированных дисков. Схема этого ТЭГ показана на рис. 7.8.

Указанные генераторы разогреваются до рабочей температуры менее чем за 30 мин. Расход газа (7000 - 8000 ккал/м) составляет 0,1 - 0,2 м3/ч. Низкий тепловой к.п.д. в этих установках несуществен, так как расход газа ничтожен, главное - надежность и простота, низкие эксплуатационные расходы.

Рис.7.8. Схема ТЭГ типа ТГТ-16: 1 - термобатарея; 2 - теплопередатчик; 3 - охлаждающее ребро; 4 - диски теплопередатчика; 5 - асбестовый фланец; 6 - газовая горелка; 7 - газопровод

3. Термоэлектрогенераторы на солнечной энергии

Солнечный ТЭГ для космических целей. ТЭГ, схема которого представлена на рис. 7.9 основан на использовании ТЭЭЛ малых размеров объемом около 2,5 мм3, размещенных между двумя параллельными пластинами (например, металлической фольги) в количестве около 3000 шт. на 1 м2; ТЭЭЛ изолированы от пластин и соединены последовательно-параллельно. В космическом пространстве одна пластина, обращенная к Солнцу, нагревается до 300°C, другая (холодные спаи) - при этом имеет температуру около 70°C. Каждый ТЭЭЛ в этой конструкции может производить мощность около 10 МВт с к. п. д. около 2%. 1 м2 термоэлектрической панели модели весит 10 кГ и может выдавать приблизительно 30 - 40 Вт/м электроэнергии. Изготовлен такой солнечный генератор для космического корабля в виде кассеты поверхностью 30 см с 12 рядами ТЭЭЛ, по 12 ТЭЭЛ в каждом ряду. Он характеризовался выдачей 2 Вт электроэнергии при нагревании Солнцем в космическом пространстве.

Солнечные ТЭГ с плоскими поверхностями нагрева не позволяют получить хороший к. п. д. ТЭЭЛ (особенно в земных условиях) из-за малых перепадов температуры между горячими и холодными спаями. Лучшие результаты можно получить, используя концентраторы солнечной энергии, хотя это усложняет конструкцию.

Рис.7.9. Панель ТЭГ на солнечной энергии: 1 - холодная панель; 2 - ТЭЭЛ; 3 - горячая панель; 4 и 5 - выводы тока

4. Термоэлектрогенераторы с концентраторами солнечной энергии

Как уже отмечалось, к. п. д. ТЭЭЛ растет пропорционально разности температур горячего и холодного спаев а, кроме того, и абсолютной температуре горячего спая. Поэтому заметное повышение тепловой экономичности ТЭГ достигается применением концентраторов солнечной энергии, дающих возможность увеличения температуры горячего спая ТЭЭЛ до 1000°C.

Термоэлектрический гелиогенератор с концентратором представляет собою термобатарею, установленную в фокальной зоне сфероидального или цилиндрического зеркала рис 7.10. Солнечные лучи, собранные зеркалом, направляются на поверхность горячих спаев и нагревают их. Холодные спаи охлаждаются воздухом, водяными радиаторами или через лучеиспускание.

Разработаны различные модели солнечных ТЭГ с концентраторами тепла, в том числе с большими и малыми концентраторами, и с аккумуляторами тепла. Серьезный недостаток солнечных ТЭГ с концентраторами энергии - большая стоимость самих концентраторов.

1 - параболический рефлектор; 2 - приемник солнечного тепла; 3 - ТЭЭЛ; 4 - теплоотвод

Термоэлектрогенераторы с некоторыми другими источниками тепла

Возможность использования других источников тепла, как с большим, так и с малым перепадом температуры для получения электроэнергии с помощью ТЭЭЛ (геотермальные воды, тепло человеческого тела, отработанные газы ракетных установок и т. п.) нашла свою реализацию в ряде своеобразных конструкций ТЭГ. Для них наиболее подходящие термоэлектрические материалы с высокой добротностью при низких температурах. К таким материалам можно отнести теллурид свинца с добавкой 0,1% натрия, добротность которого равна 0,8-10^-3 (град)^-1 при 200°C и 1,410^-3 (град)^-1 при 0°C.

Большое практическое значение может иметь использование тепла геотермальных вод. Созданы экспериментальные образцы ТЭГ, пригодные для использования тепла природных горячих источников. Недостаточно высокая тепловая экономичность такой термоэлектрической геотермальной электростанции может быть скомпенсирована простотой и надежностью ТЭГ, способностью работать без обслуживающего персонала.

Тепло человеческого тела также может быть использовано для создания разности температур между горячим и холодным спаями ТЭЭЛ. Такие ТЭГ из хороших ТЭМ способны обеспечить получение мощности 0,01 Вт и более, если перепад температуры порядка 40 - 50°C. Несколько десятков миниатюрных ТЭЭЛ образуют гибкий браслет, надеваемый на запястье руки. Такой ТЭГ может обеспечить питание транзисторного приемника и передатчика, в особенности в районах с холодным климатом.

Другой пример устройств этого типа - японский полупроводниковый радиоприемник, не нуждающийся в гальванических батареях или аккумуляторах. Здесь имеется термоэлектрическое устройство, которое дает необходимый электрический ток, если термопластинку надеть на руку.

Автор: Магомедов А.М.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Органические лазеры для цветных дисплеев и проекторов 29.05.2017 Ученые из Исследовательского центра органической фотоники и электроники (Center for Organic Photonics and Electronics Research, OPERA), университета Кюсю, Япония, разработали новый тип тонкопленочного органического лазера с оптической накачкой. И этот лазер, благодаря использованию ряда инновационных решений, способен излучать свет непрерывно в течение 30 миллисекунд, что в 100 раз дольше, чем это могли делать подобные устройства предыдущего поколения. В отличие от твердотельных лазеров на основе неорганических материалов, используемых обычно в лазерных оптических приводах и лазерных указках, органические лазеры используют для усиления света тонкий слой, состоящий из органических молекул строго определенного типа вещества. Одним из главных преимуществ органических лазеров является то, что при их помощи достаточно получить свет любого цвета и оттенка, для этого достаточно лишь использовать молекулы определенного вещества с подходящими оптическими свойствами. Специалисты работают над созданием органических лазеров уже достаточно долгое время. Но их усилия пока еще не принесли значительных результатов из-за того, что органические вещества достаточно быстро деградируют, находясь в среде, через которую проходят значительные потоки энергии. Деградация молекул приводит к резкому увеличению потерь энергии и делает дальнейшую работу органического лазера практически невозможной. Японским ученым удалось найти решение проблемы и увеличить время непрерывного излучения лазером когерентного света при помощи использования трех различных методов. Первой частью решения стал материал, из которого было изготовлено тело органического лазера, который эффективно поглощает свет с любой длиной волны, отличной от длины волны излучаемого света. Этот эффект придает лазеру высокую эффективность за счет образования троек эксионов, квазичастиц, состоящих из связанного друг с другом электрона и электронной дырки. Тепловая деградация органического материала была снижена за счет создания всего устройства на прозрачной кремниевой подложке, а верхняя часть структуры лазера была приклеена при помощи специального полимера к основанию из сапфирового стекла. Кремний и сапфир являются достаточно хорошими проводниками тепла, что обеспечивает весьма хороший теплоотвод и эффективное охлаждение лазера во время работы. И третьей частью решения стал слой материала, помещенный под слоем органического тела лазера, который обеспечил оптическую обратную связь, регулирующую соотношение количества поглощаемого ультрафиолетового света с количеством излучаемого света. Такая обратная связь позволяет уменьшить количество поглощаемой лазером энергии накачки, что снижает количество потерь и исключает возможность перегрева, ведущего к деградации органического материала. Используя органические лазеры совместно с лазерами на базе неорганических материалов, можно будет достаточно легко получать цвета и оттенки света, которые невозможно или очень тяжело получить при помощи обычных лазеров. И такие гибридные лазерные устройства могут найти широкое применение в датчиках различных типов, в спектроскопии, в оптических коммуникациях и в технологиях отображения информации. В своей дальнейшей работе японские ученые будут искать дополнительные методы и решения, которые позволят им увеличить время непрерывной работы их органических тонкопленочных лазеров. Помимо этого, будет проведена работа, направленная на прямое использование электрического тока в качестве основного источника энергии для накачки органического лазера.

Другие интересные новости:

▪ Шоколадный перец

▪ Производства водородного топлива из воздуха

▪ Разлокировка смартфона при помощи уха

▪ Машины с ДВС и гибриды загораются чаще электромобилей

▪ Большинство подростков почти не двигаются

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Музыканту. Подборка статей

▪ статья Стереограммы из абстрактного фона. Энциклопедия зрительных иллюзий

▪ статья Какие цветные шумы, помимо белого шума, существуют? Подробный ответ

▪ статья Вулкан Кракатау. Чудо природы

▪ статья Копировальная бумага. Простые рецепты и советы

▪ статья Импульсное зарядное устройство. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026