CC BY
173
УДК 621.431.74.068.4:662.76
С. В. Виноградов, К. Р. Халыков, Конг Доан Нгуен
МОДЕЛЬНАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ
Введение
С 23 ноября 2009 г. вступил в силу Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [1]. Федеральным законом определен комплекс правовых, экономических и организационных мер, направленных на стимулирование энергосбережения и повышение энергетической эффективности.
Государственное регулирование в области энергосбережения и повышения энергоэффективности будет осуществляться, в соответствии с новым федеральным законом, путем установления, в частности, требований к обороту отдельных товаров, функциональное назначение которых предполагает: использование энергетических ресурсов (в том числе установление запретов или ограничений производства и оборота товаров, имеющих низкую энергоэффективность); обязанности проведения обязательного энергетического обследования; обязанности по учету используемых энергоресурсов, требований энергоэффективности зданий, строений, сооружений, требований к «энергетическому паспорту», требований к региональным и муниципальным программам в области энергосбережения и повышения энергоэффективности, а также порядка исполнения соответствующих обязанностей. Проблемы энергосбережения в настоящее время являются весьма актуальными, особенно для транспортной энергетики. Например, в судоходных компаниях затраты по статье «Топливо» составляют до 45 % всех затрат, поэтому компаниями активно ведется политика по эффективному использованию горюче-смазочных материалов (ГСМ). В условиях повышения цен на ГСМ все более актуальными становятся вопросы, касающиеся использования нетрадиционных источников энергии. Одним из решений данных вопросов является использование термоэлектрических генераторов (ТЭГ) на основе энергии тепла отработавших газов дизеля.
Термоэлектрический генератор - это устройство, преобразующее разность температур в электрический ток. Принцип работы основан на эффекте Зеебека - явлении возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах [2]. В мире имеется ряд разработок ТЭГ для двигателей внутреннего сгорания небольшой мощности, а также ТЭГ, не связанных с морской энергетикой.
Модельная экспериментальная установка с термоэлектрическим генератором
Для более детального изучения процессов теплообмена, получения экспериментальных данных и уточнения методики нами разрабатывается модельная установка ТЭГ. Схема модельной установки представлена на рис. 1. Основными элементами экспериментальной установки являются центробежный насос 1, ТЭГ 2 и термовоздуходувка 3. Для условного обозначения основных узлов ТЭГ необходимо ввести следующие понятия:
— узел нагревателя - сопряжение одной из сторон термогенераторного модуля и стенки, которая контактирует с горячим теплоносителем;
— узел охлаждения - сопряжение другой стороны термогенераторного модуля и стенки, которая контактирует с охлаждающей жидкостью либо воздухом.
Итак, ТЭГ можно разделить на три основные составляющие: узел нагревателя, термогенераторный (термоэлектрический) модуль и узел охлаждения.
В качестве теплоносителя служит горячий воздух, поступающий из термовоздуходувки 3. Диапазон рабочих значений температуры регулируется в пределах 50-660 °С. Расход воздуха составляет от 250 до 500 л/мин (от 0,0042 до 0,0083 м3). Охлаждение осуществляется путем подвода воды насосом 1 подачей 1 м3/ч.
В атмосферу 1
На рис. 2 изображена конструкция экспериментальной термоэлектрогенераторной установки. Устройство и принцип работы установки следующий: горячий воздух, поступая в трубу
1, отдает некоторое количество тепла горячему узлу и уходит через отводную трубу 6 в атмосферу. Охлаждающая вода подводится и отводится в термоэлектрический генератор посредством насоса и циркулирует в полости, ограниченной кожухом 5 и стенкой 3. Между горячим и холодным узлами располагается термоэлектрический генераторный модуль. На сторонах модуля возникает разность значений температуры, что является условием для возникновения ЭДС. В зависимости от подключения модулей (последовательное соединение, параллельное соединение), а также в зависимости от регулировки температуры горячего воздуха можно получить на выходе различные значения электрических параметров, таких как напряжение и мощность.
Рис. 2. Термоэлектрический генератор
Как уже отмечалось, термоэлектрические модули являются основными элементами установки. Термоэлектрические модули, или модули Пельтье, являются продукцией ИПФ «Криотерм» (г. Санкт-Петербург) [3]. Устройство термоэлектрического модуля изображено на рис. 3.
Холодная сторона
Изолятор
(керамика)
Проводник
и-типа
Проводник ^-типа Горячая сторона
Рис. 3. Термоэлектрический модуль
Единичным элементом термоэлектрического модуля является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с р- и «-типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.
Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двумя плоскими керамическими пластинами на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать термоэлектрический модуль практически любой мощности -от десятых долей до сотен ватт.
Напряжение термо-ЭДС ЕТЭдС прямо пропорционально коэффициенту Зеебека модуля Е и разнице значений температуры АТ между горячей Ть и холодной Тс сторонами (спаями) термоэлектрического модуля [4]:
етэдс _ Е' АТ .
На внешней нагрузке Ян термогенераторный модуль создает напряжение и, равное термо-ЭДС, за вычетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении Я:
и _ ЕТЭДС -1' Я .
Сила тока I в цепи определяется выражением
_ Е'АТ Е'АТ
Я + Ян Я(1 + т)
где т = Ян/Я.
Напряжение на нагрузке равно:
т
и _ I-Ян _ Е-АТ-
1 + т
Мощность, отдаваемую во внешнюю цепь, можно вычислить по следующей формуле:
т
Р = 1-й =
Е 2 М 2
Я (1 + т)
2
Согласно закону сохранения энергии, мощность термогенераторного модуля Р равна разности теплового потока, подведенного к модулю Qh, и теплового потока, отведенного от модуля Qc:
Р = Qh - Qc.
Эффективность работы термогенераторного модуля и в целом ТЭГ оценивается коэффициентом полезного действия:
Р
Л = — •
Qh
Величину Qh можно найти из рассмотрения уравнения теплового баланса. К горячей стороне термогенераторного модуля, помимо тепла Qй, поступает половина джоулева тепла, выделяющегося в ветви термоэлемента. С другой стороны, в силу эффекта Пельтье, на горячем спае поглощается количество теплоты, равное Е1Тн. Кроме того, в ветви действует механизм теплопроводности от горячих спаев к холодным. В итоге можно записать следующее выражение:
1 2
Qh+-12 К = Е-1-Тк+Кт АТ,
или
Яи=кт ат
1+
2-Ть 1 2- АТ
1 + т 2(1 + т) Величина Яс определяется следующей зависимостью:
Яс = Кт АТ-
1 + т 2 (1 + т)
Е2 1
где 2 =---------термоэлектрическая добротность; Кт = 2 И— - тепловая проводимость моду-
Я-Кт У
„ , И
ля; И - число пар ветвей; И - высота ветви; а - сторона поперечного сечения ветви; у = — -
а 2
геометрический фактор.
Коэффициент полезного действия п выражается соотношением
Л = Т - Тс -----------------1----------------- (1)
Тн 1 +1 + 1 (т +1)2 - 1 Т„ - Тс 1
т 2 -Ть т 2 ТИ т
Из формулы (1) видно, что коэффициент полезного действия ТЭГ определяется через КПД цикла Карно и множитель, зависящий от т, 2 и температуры спаев Тн и Тс. Данный множитель меньше 1 и при современном качестве полупроводниковых материалов составляет порядка 1/6 » 0,17.
Заключение
Активный поиск альтернативных экологически чистых источников энергии обусловливает актуальность использования термоэлектрических модулей для генерирования электроэнергии. Весьма значимое положительное качество ТЭГ - безмашинное преобразование тепловой энергии в электрическую, которая может быть использована для судовых нужд.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
2. Виноградов С. В., Горбачёв М. М., Халыков К. Р. Проектирование термоэлектрического генератора, работающего от теплоты выхлопных газов судовых дизелей // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2010. - № 1. - С. 89-94.
3. ййр.7/кгуо1:Ьегш.га.
4. Термоэлектрические модули и устройства на их основе: справ. пособие. - СПб.: ИПФ «Криотерм», 2004. - 53 с.
Статья поступила в редакцию 7.06.2010
MODEL EXPERIMENTAL PLANT WITH THERMOELECTRIC GENERATOR
S. V. Vinogradov, K. R. Khalykov, Cong Doan Nguyen
The use of thermoelectric generators based on heat energy of exhaust gases of diesel is one of the ways of application of non-conventional energy sources for energy saving purposes. The design model of the experimental plant with thermoelectric generator is offered. The arrangement and the method of installation the basic elements of which are thermoelectric modules generating electric power are described. The formula of calculation of thermogenerator coefficient of efficiency is given.
Key words: thermoelectric generator, energy saving, non-conventional energy sources, exhaust gases, thermoelectric module.
