Termoelektrični generatori električne energije TEG

Materijal govori o principima rada termoelektričnih generatora i područjima njihove primjene.

Lavovski udio električne energije danas proizvode termoelektrane. Izgaranjem fosilnog goriva pokreću se turbine električnih generatora na stanicama pomoću međunosača topline (pregrijane pare). Lanac proizvodnje energije je složen, opasan i skup. Ali vam omogućuje stvaranje moćnih jedinica za proizvodnju električne energije s visokom učinkovitošću (učinkovitošću).

Postoji li alternativa za lakšu pretvorbu topline u električnu energiju? Fizika kaže da. Tehničar kaže: "Ne još." O tome tko je u pravu i koje su poteškoće na putu pretvaranja topline u energiju, materijal ovog članka. Metoda izravne pretvorbe topline u električnu struju poznata je od 1821. godine, kada je otkrivena pojava termoelektriciteta, danas poznata kao Seebekov efekt.

Kada se dodir dva različita metala zagrijava, na krajevima žica nastaje razlika potencijala, a kada se zatvore strujni krug počinje teći. Fizičari su brzo shvatili da veličina struje izravno ovisi o vrsti materijala, temperaturnoj razlici između hladnog i vrućeg spoja metala, toplinskoj vodljivosti i otporu metala. Velike temperaturne razlike i visoka vodljivost povećavaju struju, a visoka toplinska vodljivost slabi učinak.

Nakon dugih pokušaja stvaranja termoelektričnog generatora (TEG) pomoću metala, uključujući i one plemenite, ta je ideja napuštena. Metali imaju mali otpor, što omogućuje odvajanje prostornog hladnog i vrućeg spoja, ali visoka toplinska vodljivost i, sukladno tome, protok topline izvana smanjuju učinkovitost elemenata. Rezultirajuća učinkovitost TEG elemenata izrađenih od metala ne prelazi 1-2%. Efekt je dugo bio zaboravljen, a spojevi različitih metala korišteni su samo u mjernoj tehnici. Ovo su poznati termoparovi za mjerenje temperature.

Prvi praktični projekti TEG-a pojavili su se tek prije Drugog svjetskog rata. Ruski znanstvenik Yofe predložio je korištenje poluvodiča s različitim vrstama vodljivosti umjesto para različitih metala. U ovom slučaju razlika potencijala i snaga TEG elemenata povećavaju se stotinama puta. Prvi generator TEG-1 počeo se proizvoditi 1942. godine i nazvan je "Gerilla Bowler". Postavljen na vatru, generator proizvodi 2 do 4 vata snage, dovoljno za napajanje običnog radija.

Danas potomci prvog generatora služe geolozima, turistima i jednostavno stanovnicima udaljenih područja.Snaga takvih generatora je mala - od 2 do 20 vata. Snažniji (od 25 do 500 W) generatori ugrađuju se na glavne plinovode do električnih alata ili katodne zaštite cijevi. Generatori od 1 kW ili više snage opreme meteorološke stanice, ali zahtijevaju izvore topline visoke temperature: na primjer, plin.

Ne treba puno reći o egzotičnim generatorima koji pretvaraju toplinu radioaktivnog raspada izravno u električnu energiju - preuzak opseg i osjetljive informacije. Poznato je samo da su pojedini sateliti u svemiru opremljeni takvim instalacijama za neprekidno napajanje opreme.

Kao primjer modernih proizvoda, razmotrite parametre termogeneratora tipa B25-12... Njegova izlazna električna snaga je 25W pri naponu od 12V. Radna temperatura vruće zone nije veća od 400 stupnjeva, težina je do 8,5 kg, cijena je oko 15 000 rubalja. Takvi generatori (obično najmanje 2) koriste se zajedno s plinskim kotlom za grijanje prostora.

Prema istom principu, snažniji TEG modeli snage 200 vata. U tandemu s plinskim kotlom za grijanje vikendica, oni daju struju ne samo za automatizaciju kotla i cirkulacijske pumpe vode, već i za kućanske aparate i rasvjetu.

Unatoč svojoj jednostavnosti i pouzdanosti (bez pokretnih dijelova), TEG nije široko prihvaćen. Razlog tome je izrazito niska učinkovitost, koja ni kod poluvodičkih materijala ne prelazi 5-7%. Tvrtke koje razvijaju takve generatore izrađuju ih u malim serijama po narudžbi. Nedostatak masovne potražnje dovodi do visokih cijena proizvoda.

Situacija bi se mogla promijeniti s pojavom novih materijala za toplinske pretvarače... Ali zasad se znanost nema čime pohvaliti: najbolji uzorci TEG-a nisu uspjeli prijeći faktor učinkovitosti od 20%. U ovoj situaciji pomalo smiješno izgledaju reklamne brošure TEG-a, gdje se deklarira učinkovitost veća od 90%. Možda je vrijeme da znanstvenici uče od revnih trgovaca?