Особливості термоелектричних генераторів

Особливості термоелектричних генераторів

Теплоелектростанції визнані в світі як найбільш дешевий варіант отримання енергії. Але існує альтернатива цьому способу, яка відрізняється екологічністю, - термоелектричні генератори (ТЕГ).

Що це таке?

Термоелектричний генератор - це пристосування, завдання якого полягає в перетворенні теплової енергії на електрику шляхом застосування системи термічних елементів.


Поняття «теплова» енергія в даному контексті трактується не зовсім вірно, так як тепло означає лише метод перетворення даної енергії.

ТЕГ є термоелектричним явищем, яке вперше було проілюстровано німецьким фізиком Томасом Зеєбеком у 20-их роках 19 століття. Результат дослідження Зеєбека трактується як електричний опір у ланцюгу з двох матеріалів, проте весь процес протікає лише залежно від температури.

Пристрій і принцип роботи

Принцип роботи термоелектричного генератора, або, як його ще називають, теплового насоса, ґрунтується на перетворенні енергії тепла в електричну енергію з використанням термічних елементів напівпровідників, які зв'язуються між собою паралельно або послідовно.

У ході проведення досліджень німецьким вченим був створений абсолютно новий ефект Пелтьє, в якому вказується, що абсолютно різні матеріали напівпровідників при проведенні споювання дають можливість виявити відмінність температур між їх бічними точками.

Але як зрозуміти, як працює ця система? Все досить-таки просто, така концепція заснована на певному алгоритмі: коли один з елементів охолоджують, а інший нагрівають, то ми отримуємо енергію сили струму і напруги. Головна особливість, яка виділяє з інших саме цей метод, полягає в тому, що тут можуть використовуватися всілякі джерела тепла, серед яких недавно відключена плита, лампа, багаття або навіть чашка з тільки налитим чаєм. Ну а охолоджувальним елементом найчастіше є повітря або ж звичайна вода.

Як же влаштовані ці термічні генератори? Вони складаються зі спеціальних термічних батарейок, які виготовляють з матеріалів провідників, і теплових обмінників різнорідних температур спаїв термобатарів.


Схема електричного ланцюга виглядає наступним чином: термоелементи напівпровідників, гілки прямокутної форми n- і p-типу проведеної здатності, з'єднані пластини холодних і гарячих сплавів, а також високе навантаження.

Серед позитивних сторін термоелектричного модуля відзначають можливість використовувати абсолютно у всіх умовах, в тому числі і в походах, та й до того ж легкість транспортування. Більше того, в них відсутні рухомі деталі, які мають властивість швидко зношуватися.

А до недоліків відносять далеко не низьку вартість, низький коефіцієнт корисної дії (приблизно 2-3%), а також важливість ще одного джерела, яке забезпечить раціональний перепад температур.

Слід зазначити, що вчені активно працюють над перспективами удосконалення та усунення всіх похибок в отриманні енергії таким способом. Тривають експерименти і дослідження з розробки найбільш ефективних термічних батарейок, які допоможуть підвищити значення коефіцієнта корисної дії.

Однак досить складно визначити оптимальність цих варіантів, так як вони базуються виключно на практичних показниках, не маючи при цьому теоретичного обґрунтування.

Враховуючи всі недоліки, а саме, невідповідність матеріалів для сплавів термобатарок, говорити про прорив у найближчому майбутньому досить складно.

Існує теорія, що на сучасному етапі фізиками буде використовуватися технологічно новий метод заміни сплавів на більш ефективні, окремо з впровадженням нанотехнологій. Більш того, можливий варіант використання нетрадиційних вихідців. Так, в університеті Каліфорнії був проведений експеримент, де термічні батарейки замінили синтезованою штучною молекулою, яка виступала як зв'язуючий матеріал золотих мікроскопічних напівпровідників. Згідно з проведеними дослідами стало ясно, що результативність нинішніх досліджень покаже лише час.


Огляд типів

Залежно від методів отримання електроенергії, джерел тепла, а також від різновидів задіяних структурних елементів всі термоелектричні генератори бувають на декількох видів.

Паливні. Отримують тепло від спалювання палива, яке являє собою вугілля, природний газ і нафту, а також тепло, отримане шляхом згоряння піротехнічних груп (шашок).

Атомні термоелектричні генератори, в яких джерелом виступає тепло атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоній-238, торій), часто тут термічний насос - другий і третій ступені перетворення.

Сонячні генератори формують тепло від сонячних комунікаторів, які відомі нам у повсякденному житті (дзеркала, лінзи, теплові труби).

Утилізаційні генерують тепло з усіляких джерел, в результаті чого виділяється відходне тепло (викидні і топкові гази та інше).


Радіоізотопні отримують тепло шляхом розпаду і розщеплення ізотопів, даний процес характеризується неконтрольованістю самого розщеплення, і результатом виступає момент напіврозпаду елементів.

Градієнтні термоелектричні генератори базуються на перепаді температур без будь-яких втручань ззовні: між навколишнім середовищем та місцем проведення експерименту (спеціально оснащеним обладнанням, промисловим трубопроводом тощо) з використанням вихідного відправного струму. Наведений тип теплоелектричного генератора був використаний з утилізацією отриманої електричної енергії від ефекту Зеєбека для перетворення на теплову енергію згідно із законом Джоуля-Ленца.

Сфери застосування

Через низький коефіцієнт корисної дії термоелектричні генератори широко використовуються там, де відсутні будь-які інші варіанти джерел енергії, а також під час процесів зі значною нестачею тепла.

Дров "яні печі з електрогенератором

Даний пристрій характеризується наявністю емальованої поверхні, джерела електроенергії, в тому числі і обігрівача. Потужності такого пристосування може вистачити для того, щоб зарядити мобільний пристрій або ж інші девайси за допомогою гнізда прикурювачів для автомобілів. Виходячи з параметрів, можна зробити висновок, що генератор здатний працювати без звичайних умов, а саме, без наявності газу, опалювальної системи та електрики.

Термоелектричні генератори промислового виробництва

Фірмою BceLite була представлена нова модель для походів - портативна пічка, яка дозволить не тільки розігріти їжу, але і зарядити ваш мобільний пристрій. Все це можливо завдяки вбудованому в це пристосування термоелектричному генератору.


Цей пристрій відмінно вам послужить у походах, на риболовлі або ж у будь-якому місці, віддаленому від усіх умов сучасної цивілізації. Робота генератора BceLite характеризується спалюванням палива, яке послідовно по стінках передається і виробляє електрику. Отримувана електроенергія дозволить зарядити телефон або ж підсвітити світлодіод.

Радіоізотопні термоелектричні генератори

У них джерелом енергії виступає тепло, яке утворюється в результаті розщеплення мікроелементів. Вони потребують постійного постачання паливом, тому мають перевагу над іншими генераторами. Однак їх істотний недолік полягає в тому, що при роботі необхідно дотримуватися правил безпеки, оскільки має місце випромінювання іонізованими матеріалами.

Незважаючи на те що запуск таких генераторів може бути небезпечний, в тому числі і для екологічної ситуації, їх використання досить поширене. Наприклад, їх утилізація можлива не тільки на Землі, але і в космосі. Відомо, що радіоізотопні генератори застосовуються для заряду навігаційних систем, найчастіше в місцях, де відсутні системи зв'язку.

Термічні мікроелементи

Термобатарейки виступають як перетворювачі, а також їх конструкцію складають електрозмірні прилади, калібровані в Цельсіях. Похибка в таких приладах зазвичай прирівнюється до 0,01 градуса. Але необхідно зазначити, що дані пристрої розроблені для використання в діапазоні від мінімальної межі абсолютного нуля і до 2000 градусів за Цельсієм.

Термічні електрогенератори останнім часом отримали широку популярність при роботі у важкодоступних місцях, які повністю позбавлені систем зв'язку. До цих локацій належить і Космос, де дані пристрої все частіше використовуються у вигляді альтернативних джерел електроживлення на борту космічних засобів.


У зв'язку з розвитком науково-технічного прогресу, а також поглибленими дослідженнями у фізиці отримує популярність застосування термоелектричних генераторів у транспортних засобах для відновлення енергії тепла, щоб переробити речовини, які витягують з витяжних систем автомобілів.

У наступному відео представлено огляд сучасного термогенератора електрики для походу BceLite energy everywhere.