В многочисленных исследовательских лабораториях ученые и инженеры постоянно создают новые и улучшают существующие методы и устройства генерации электрической энергии. Среди них генераторы, основу которых составляют термоэлектрические модули, обеспечивающие прямое преобразование тепловой энергии в электрический ток
Евгений Рудометов
>> Часть 3
Преимущества термоэлектрических модулей в генерации электрического тока
Основное преимущество использования термоэлектрических модулей для генерации электричества — это их способность прямо преобразовывать тепло в электричество. В отличие от большинства альтернативных вариантов источники электроэнергии с указанными модулями работают без тепловых носителей, двигателей, компрессоров и т. п. Отсутствие каких-либо механических подвижных частей положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках. Генераторы с термоэлектрическими модулями обладают высокой надежностью и долговечностью. Они устойчивы к вибрациям и ударным нагрузкам. Они также компактны, бесшумны и не требуют обслуживания. Все это делает такие изделия очень привлекательными для использования в различных, часто весьма непростых, условиях эксплуатации.
Термоэлектрогенератор ТГК-3 (СССР, 1953г.)
А еще термоэлектрические модули в своей работе преобразования тепла в электрическую энергию не используют вредные газы или жидкости. Это означает, что они экологически безопасны и могут применяться в экологически чувствительных областях.
Термоэлектрические модули обладают относительно невысокой степенью преобразования тепла в электричество. Их коэффициент преобразования обычно находится в диапазоне от 1% до 10%, в зависимости от конкретных параметров модулей и условий работы.
Полупроводниковые модули потребительского класса обычно способны производить от 0,5 до 1,5 вольт на модуль при разнице температур в 50-80 градусов Цельсия. При этом средняя мощность, которую можно получить от одного модуля, как правило, составляет от нескольких десятков милливатт до единиц ватт. Однако некоторые большие модели, содержащие сотни термопар, могут генерировать большую мощность.
Современные полупроводниковые модули могут успешно работать с разницей в температуре от 50 °C до 150 °C. Для массовых модулей потребительского класса рекомендуемое верхнее значение температуры горячей стороны модуля обычно находится в диапазоне 80-90 °C. Предельный нагрев определяется типом полупроводников, а также используемыми в модулях сплавами и припоями. Конкретные параметры производитель модуля указывает в его техническом описании.
Кстати, допустимый температурный диапазон работы биметаллических конструкций генерации электричества по сравнению с полупроводниковыми моделями обычно значительно шире и может достигать 1000 °C. Однако и некоторые полупроводниковые материалы также способны функционировать при довольно высоких температурах. Работа модулей при большой разнице температур позволяет достичь высокой эффективности преобразования, а при большом количестве термопар получить значительную выходную мощность.
Все это позволяет использовать термоэлектрические модули, биметаллические и полупроводниковые, в широком диапазоне приложений, где есть значительная разница в температуре между горячими и холодными областями.
Очевидно, что высокий коэффициент преобразования тепла в электричество является главной характеристикой для достижения наилучшей энергетической эффективности. Этот коэффициент в значительной степени определяет показатели эксплуатационной и экономической эффективности. При этом, чем больше разность температур, тем выше эффективность преобразования. Например, при разнице температур 100 °C эффективность преобразования даже для систем с потребительскими модулями может достигать 3-5%. А некоторые современные термоэлектрические модули могут обеспечит достижение даже коэффициента преобразования в 10%.
Интересно, что в научных изданиях появились статьи, в которых для модулей, созданных из новейших материалов и установленных в оптимальные для них температурные режимы, значение коэффициента преобразования составляет 16%. Это очень высокое значение. Но некоторые исследователи, например, некоторые специалисты Сколково, предсказывают возможность покорения рубежа в 20%. Более того, они утверждают, что это может произойти уже в ближайшие годы.
Остается добавить, что серийные термоэлектрогенераторы имеют различные выходные рабочие напряжения и токи. Это зависит от числа используемых модулей, их конструкции, типа и числа используемых в модулях элементов. Все это в конечном итоге определяет технические параметры источника электрической энергии. Мощность же некоторых моделей достигает сотен ватт, хотя есть варианты термоэлектрогенераторов и киловаттных уровней.
Об областях использования термоэлектрических модулей в следующей части данной статьи.
(кликнуть мышью для увеличения картинки)
>> Часть 5