CC BY
718
УДК 621.382.8
СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
В. С. Семенов, А. В. Бейльман Научный руководитель - И. В. Трифанов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: aaa@mail.sibsau.ru
Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития представленных технологий. Сформулированы основные направления НИР на преобразования тепловой энергии в электрическую.
Ключевые слова: термоэлектрический генератор, электроэнергия, тепловая энергия, преобразователь
METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
V. S. Semenov, A. V. Beylman Scientific supervisor - I. V. Trifanov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: aaa@sibsau.ru
The scientific and technological analysis of development of the available installations and ways of direct transformation of thermal energy to the electric is carried out. Strategy and prospects of development of the technologies affected in article are considered.
Keywords: thermoelectric generator, electric power, thermal energy, converter.
Развитие науки и техники за последние десятилетия привело к появлению новых областей применения источников тепловой электрической энергии, удовлетворяющих таким требованиям, как высокий к. п. д. и большая удельная мощности (на единицу веса или объема установки), высокая надежность и длительный ресурс работы, безопасность и удобство эксплуатации и т. д.
Актуальность данной темы заключается в том, что методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию позволяют получать электрическую мощность, минуя промежуточную стадию - превращение ее в механическую энергию, тем самым упрощая конструкцию и расширяя функциональные возможности установки. Термоэлектрические модули обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами устройств: бесшумность работы; отсутствие подвижных частей; отсутствие рабочих жидкостей; работа в любом пространственном положении; малый размер и вес системы; простота управления.
Был проведен анализ термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии, работа которых основана на эффектах Зеебека, Пельтье, Томсона, Ричардсона. Патентный поиск показал, что в настоящее время существует достаточно много устройств с различными вариантами конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).
1. ТЭГ как устройство для повышения эффективности использования теплоты отработавших газов. У судовых двигателей, работающих на дизельном топливе, около 40% тепла уносится горячими выхлопными газами. Одним из решений эффективной утилизации выхлопных газов является использование термогенераторов на основе энергии тепла отработавших газов [1]. ТЭГ представляет собой съемную конструкцию, встраиваемую в систему газовыхлопа. В установке применяются
Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»
термогенераторные модули, работа которых основана на полупроводниковых элементах. Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счет пресной воды. Все это приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебе-ка, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токоотводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна. КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 8-12 %.
2. Существуют также устройства, использующиеся на авиасудах [2]. ТЭГ, использующиеся для питания электрооборудования. В данной схеме электрическая энергия генерируется за счет отработавшего газа в турбине, а охлаждение происходит за счет холодной текучей среды, например, холодного воздуха. КПД данной схемы варьируется в пределе от 8-15 %, мощность до 7 кВт, напряжение до 300 В.
3. В космической технике, где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно, используются радиоизотопные источники энергии, использующие тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующие её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора. В настоящее время на марсоходе «Curiosity» используется такой радиоизотопный генератор (РИТЭГ). РИТЭГ [3] применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и другом оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.
4. В 2011-2012 гг. при исследовании редкоземельных полупроводников было обнаружено новое физическое явление, заключающееся в спонтанной генерации электрического напряжения при нагреве. Актуальность заключается в том, что КПД преобразователя, работающего на основе полупроводника сульфита самария, равен «47 % при Т = 150 °С. Напряжение 0,5 В, вес всего 10 гр [4].
Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки оптимальной конструкции генератора.
Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на неизвестном ранее физическом эффекте генерации ЭДС при нагревании полупроводникового материала на основе сульфида самария в условиях отсутствия внешних градиентов температуры.
Следует отметить также, что применяемый материал SmS, является радиационно стойким, нетоксичным, с отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем диапазоне температур (150-450 °С), а также обладает высокой температурой плавления (2 300 °С), в сравнении с известными полупроводниками. На основе преобразования тепловой энергии в электрическую созданы измерительные датчики и приборы (термопары, термоэлектрический термометры, терми-сторы).
На сегодняшний день данные методы нашли свое применение в таких областях науки и техники как: авиация и космонавтика, судостроение, электрическая промышленность, бытовая сфера.
Применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую за счет них утилизируется неиспользуемая тепловая энергию, которая бы просто растворилась в пространстве. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности.
Выводы: проведен теоретический анализ методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Установлено, что КПД преобразования тепловой энергии в электрическую может составлять 8-47 % при мощности 0,1 Вт-7 кВт. Определены направления НИР по разработке методов преобразования тепловой энергии в электрическую для космической отрасли и метрологии на основе полупроводниковых материалов (сульфида самария, висмута, сурьмы, индия).
Библиографические ссылки
1. Виноградов С. В., Халыков К. Р., Нгуен К. Д. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер. «Морская техника и технология». 2011. № 1. С. 84-91.
2. Пат. № 2534443 RU, H 01 L 35/30. Термоэлектрический генератор газовой турбины / Б. Кри-стоф. № 2011136856/28; заявл. 04.02.2010; опубл. 27.11.2014. Бюл. № 33. 11 с.
3. Железняков А. Б. РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов [Электронный ресурс]. URL: http://geektimes.ru/post/231197 (дата обращения: 28.03.2014).
4. Каминский В. В. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках SmS. ФТТ, 2014. Т. 56. В. 9. С. 131-142.
© Семенов В. С., Бейльман А. В., 2015
