ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (ТЭГ), устройство на основе полупроводниковых термоэлементов, соединенных между собой последовательно или параллельно, непосредственно превращающее тепловую энергию в электрическую.
В термоэлектрическом генераторе для получения электричества используется эффект Зеебека, который заключается в появлении электродвижущей силы в замкнутой цепи из двух разнородных материалов, если места контактов поддерживаются при разных температурах. Возникновение эффекта связано с тем, что энергии свободных электронов или дырок в полупроводниковом материале зависят от температуры. В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Если один контакт нагрет больше, чем другой, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток.
В состав термоэлектрических генераторов входят термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов, соединенных последовательно или параллельно и теплообменники горячих и холодных спаев термобатарей. Принципиальная схема электрической цепи полупроводникового термоэлектрического генератора включает в себя полупроводниковый термоэлемент, состоящий из ветвей (вырезанных из кристаллов небольших прямоугольных элементов) p- и n-типа проводимости, то есть обладающими разными знаками коэффициента термоэлектродвижущей силы, коммутационные пластины горячего и холодного спаев и активную нагрузку. В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку в цепи течет постоянный ток, обусловленный эффектом Зеебека. Этот же ток вызовет выделение и поглощение тепла Пельтье (см. Пельтье эффект) на спаях p- и n- ветвей термоэлемента с металлическими пластинами. При этом движение носителей будет происходить от горячих спаев к холодным, что соответствует поглощению на горячих спаях теплоты Пельтье.
Полупроводниковые материалы, использующиеся в таких генераторах, должны иметь как можно больший коэффициент термоЭДС, хорошую электропроводность и, для того, чтобы получить значительный перепад температуры между холодными и горячими спаями кристаллов, малую теплопроводность. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют сильно легированные полупроводниковые материалы. Наибольшее распространение для изготовления термоэлементов получили твердые растворы на основе халькогенидов элементов V группы.
Так как для работы в термоэлектрическом генераторе не требуется высокая чистота применяемых материалов, то генераторы получаются относительно дешевыми и успешно работают в условиях проникающей радиации.
Разработка технологии горячего блюда из мяса птицы и подбор средств ...
... потребление бульона из мяса птицы способствует усиленному выделению пищеварительных соков. В этом отношении более ценно мясо взрослой птицы. Таблица 2-Содержание аминокислот в мясе птицы, мг на 100 ... питания животного происхождения. Значение мяса и мясопродуктов в питании населения определяется тем, что служат источником полноценных белков, жира, минеральных и экстрактивных веществ, некоторых ...
Для разогрева может быть использовано побочное тепло (солнечный свет, стенка разогревающейся при работе установки) и тепло от специального генератора (газовая или керосиновая горелка, атомный реактор).
Термоэлектрические генераторы применяются для энергоснабжения удаленных и труднодоступных потребителей электроэнергии (автоматических маяков, навигационных буев, метеорологических станций, активных ретрансляторов, космических аппаратов, станций антикоррозионной защиты газо- и нефтепроводов).
Термоэлектрические генераторы обладают рядом преимуществ перед традиционными электромашинными преобразователями энергии, например турбогенераторами, отсутствием движущихся частей, бесшумностью работы, компактностью, легкостью регулировки, малой инерционностью. Недостатком термоэлектрических генераторов является низкий кпд (до10%).
Несмотря на это термоэлектрические генераторы нашли широкое применение для питания переносных устройств электроники, что объясняется простотой их эксплуатации, высокой надежностью, небольшой стоимостью.
1.1 ИЗ ИСТОРИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ
Термоэлектрические генераторы применялись в качестве источников питания при лабораторных исследованиях, однако делались попытки применять их также и для других целей. Так, например, в «Почтово-Телеграфном Журнале» за 1899 г. была помещена заметка, в которой говорилось об использовании для питания двух маломощных 16-свечных электрических лампочек, термоэлектрического генератора, представлявшего собой печь с двойными стенками, в пространстве между которыми размещалось большое число термопар из никеля и сплава сурьмы с цинком.
Наиболее известным термоэлектрическим генератором того периода является работавшая на газе батарея Гюльхера, выпускавшаяся промышленностью и использовавшаяся для зарядки аккумуляторов.
Вследствие очень низкого к. п. д. всех существовавших тогда конструкций термоэлектрических генераторов (десятые доли процента) интерес к ним ослабел, как только были изобретены имевшие значительно более высокий к. п. д. электродинамические генераторы, которые и используются с начала века до настоящего времени в установках для получения электрической энергии из тепловой.
Коэффициент полезного действия современных крупных электростанций достигает 20 — 30%, а у самых неэффективных маломощных установок составляет примерно 5%. Насколько экономичнее такие установки термоэлектрических генераторов, видно из того, что по расчету, произведенному в 1922 г., стоимость электроэнергии в городах Европы была в 37 раз ниже стоимости количества газа, которое необходимо было сжечь для получения такого же количества электроэнергии при помощи термоэлектрического генератора, имевшего к. п. д. 0,5%. Делались попытки применения термоэлектрических генераторов для использования бесполезно теряющегося тепла отходящих газов в различных промышленных установках, однако они не дали существенных результатов.
Считалось, что термоэлектрические генераторы целесообразно применять лишь в качестве маломощных источников питания при некоторых лабораторных исследованиях. Особенно привлекала внимание идея использовать термопары для превращения энергии солнечных лучей в электрическую.
Оборудование предприятий общественного питания (2)
... принципиально новых видов техники. Наряду с этим следует уделять большое внимание и модернизации действующего технологического оборудования. Важным средством ускорения научно-технического прогресса в общественном питании является своевременная модернизация оборудования, замена ...
В 1910 г. было даже организовано для этой цели акционерное общество, но никаких технических данных о соответствующей установке опубликовано так и не было. Насколько малоэффективными оказывались тогда термоэлектрические генераторы, использовавшие солнечную энергию, видно из экспериментальных данных, опубликованных в 1922 г.
Генератор, составленный из 105 медно-константановых термопар, за счет поглощения солнечных лучей, падавших на площадь 105 см2, давал в полдень солнечного дня не более 0,00061 Вт, причем его к. п. д. составлял около 0,008%.
При использовании для питания двух маломощных 16-свечных электрических лампочек, термоэлектрического генератора, представлявшего собой печь с двойными стенками, в пространстве между которыми размещалось большое число термопар из никеля и сплава сурьмы с цинком.
Наиболее известным термоэлектрическим генератором того периода является работавшая на газе батарея Гюльхера, выпускавшаяся промышленностью и использовавшаяся для зарядки аккумуляторов.
Вследствие очень низкого к. п. д. всех существовавших тогда конструкций термоэлектрических генераторов (десятые доли процента) интерес к ним ослабел, как только были изобретены имевшие значительно более высокий к. п. д. электродинамические генераторы, которые и используются с начала века до настоящего времени в установках для получения электрической энергии из тепловой. Делались попытки применения термоэлектрических генераторов для использования бесполезно теряющегося тепла отходящих газов в различных промышленных установках, однако они не дали существенных результатов. Считалось, что термоэлектрические генераторы целесообразно применять лишь в качестве маломощных источников питания при некоторых лабораторных исследованиях.
Особенно привлекала внимание идея использовать термопары для превращения энергии солнечных лучей в электрическую. В 1910 г. было даже организовано для этой цели акционерное общество, но никаких технических данных о соответствующей установке опубликовано так и не было.
С развитием радиотехники интерес к термоэлектрическим генераторам возрос. Их стремились использовать в качестве источников питания для радиоприемников в неэлектрифицированных местностях. В 1928 г. в статье, помещенной в газете «Беднота», П. О. Чечик сообщал о работе собранного им термоэлектрического генератора на железо-никелиновых термопарах, источником тепла для которого служила керосиновая осветительная лампа.
В 1937 г. А. Г. Ивахненко в статье, помещенной в журнале «Радиофронт», № 13, рекомендовал сходного типа конструкцию в качестве радиолюбительского термоэлектрического генератора для питания цепей накала радиоприемника.
Новые сплавы, разработанные в последующее время и оказавшиеся более удобными для использования в качестве материалов для термоэлетрических генераторов, позволили создать образцы генераторов, работавших на жидком топливе. Вес этих генераторов составлял около 1 кг на ватт полезной мощности при к. п. д. порядка десятых долей процента. Во время второй мировой войны такие термоэлектрические генераторы использовались в качестве переносного, бесшумного и надежного источника питания военных радиоустановок. В литературе сообщалось также о создании генераторов, отдававших до 300 Вт при напряжении 12 В и об установке, дававшей до 90 В, однако при к. п. д. порядка 0,2%. На основе применения новых термопар промышленность выпускала теперь термоэлектрические генераторы типа ТГК-3, предназначенные для питания ряда батарейных приемников за счет тепла, отдаваемого 20-линейной керосиновой осветительной лампой …
Автоматическое регулирование возбуждения синхронных генераторов ...
... напряжения ∆Uг статора турбогенератора. Автоматический регулятор аналогичен двухсистемному электромагнитному корректору напряжения компаундированного синхронного генератора. Источники питания магнитных усилителей регулятора в разных модификациях системы регулирования возбуждения различны. В схеме, приведенной ...
1.2 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Мощность современных ТЭГ колеблется от нескольких микроватт до нескольких десятков киловатт, КПД преобразования — от 2 до 10%, срок службы — от 1 года до 25 лет, стоимость установленной мощности — от $12 до $190 на 1 Вт.
Термоэлектрические генераторы. Для дачников, рыбаков, охотников, геологов, туристов, альпинистов, предлагаются ТЭГ мощностью от 4,5 до 12 Вт выполненные в виде настольной лампы или походных котелков, являющихся источниками постоянного тока. Их можно использовать для освещения, подзарядки аккумуляторов, питания радиоприемников, телевизоров, радиостанций, магнитофонов, компьютеров. Источниками тепла для них являются газовая горелка или плита, примус, печка, костер и т.д.
Для катодной защиты магистральных нефтепроводов и газопроводов от коррозии и для питания различной контрольно-регулирующей аппаратуры используются термоэлектрические генераторы мощностью до 150 Вт, работающие на природном и попутном газе.
Для коттеджей и загородных домов разрабатывается ТЭГ мощностью 200 Вт. Он представляет собой газовый котел, вырабатывающий, одновременно, тепло для отопления и электроэнергию. Это позволяет обеспечить бесперебойное электропитание системы отопления (автоматики, циркуляционных насосов), что делает ее полностью независимой от внешней электросети. Кроме того, это устройство может являться резервным источником электропитания для широкого спектра бытовых приборов.
Генератор термоэлектрический гту-12-12. Генератор предназначен для питания бытовой радиотелеаппаратуры, средств связи, освещения и подзарядки аккумуляторов. Он преобразует тепло бытовых источников (керогаза, примуса, газовой горелки, печки, костра) в электрическую энергию
Технические характеристики:
Электрическая мощность при напряжении на нагрузке 12 В, Вт.
Время приведения в действие, ч, не более0,3
Масса, кг5
Габаритные размеры, мм230х250х240
В условиях, удаленных от постоянного электроснабжения, генератор может быть использован для:
ПОДЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРОВ мобильного телефона, радиостанции, видеокамеры, эхолота, навигатора, ноутбука, автомобиля
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ МАЛОМОЩНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ — радиоприемника, магнитофона, миникомпьютера, телевизора.
ЛОКАЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
на открытом воздухе и в помещении, при температуре от -45 до +45С;
- не боится короткого замыкания и работы без нагрузки;
- сроки эксплуатации, при соблюдении инструкции и аккуратном обращении, не ограничены;
- кипяченую воду из генератора допускается использовать для приготовления пищи.
Генератор термоэлектрический газовый гтг-30-12
Генератор предназначен для обеспечения электроэнергией маломощных потребителей. Он преобразует тепло продуктов сгорания природного газа, пропана, пропан-бутановой смеси в электрическую энергию. Генераторы эксплуатируются под навесом или в проветриваемых помещениях при температуре от -30 до + 50 град. С и относительной влажности до 90 %. Технические характеристики:
Электрическая мощность при напряжении на нагрузке 12 В, Вт30
Удельный расход газа, г/Вт.ч3,4
Давление газа на входе, кг/куб. см0,02-0,036
Количество циклов, при длительности 5 ч500
Срок службы, лет12
Масса, кг21
Габаритные размеры, мм280х340х1140
Генератор Термоэлектрический Гтг-150н
Генератор предназначен для комплектации автономных источников электроэнергии мощностью от 150 до 900 Вт, которые используются для питания средств радиорелейной связи и катодной защиты газопроводов. Топливом для генератора служат: природный газ, пропан, пропан-бутановая смесь.
Технические характеристики:
Электрическая мощность при напряжении на нагрузке 27 В, Вт…….150
Срок службы, лет………………………………………………………….10
Масса, кг………………………………………130
Габаритные размеры, мм…………………………..Ш 600, Н 770
Генератор Термоэлектрический Гт-4,5-12
Генератор предназначен для использования в качестве источника постоянного тока и освещения. Он преобразует тепло продуктов сгорания керосина лампы в электрический ток. Генератор эксплуатируется в помещениях, защищенных от прямого воздействия ветра и осадков.
Технические характеристики
Электрическая мощность, Вт…………….4,5
Напряжение, В…………………………….0-12
Габаритные размеры, мм………….200х226х370
Масса, кг………………………3
Источник бесперебойного питания, патент по заявке № 2003111749, приоритет от 23.04.2003 г., предназначен для обеспечения непрерывного электропитания системы отопления (автоматики, насосов и т.д.) и является резервным источником электроэнергии для широкого спектра бытовых приборов при отключении централизованного электроснабжения. Изделие имеет сокращенное наименование Генератор термоэлектрический для отопительной системы (ГТ ОС) и представляет собой компактный котел (с газовой или жидкотопливной горелкой) с встроенными термоэлектрическими батареями. Такая комбинация позволяет вырабатывать электроэнергию и тепло для снижения тепловой нагрузки здания.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
- Мощность по электроэнергии200 Вт (постоянный ток 24В);
- Мощность по теплу6 — 8 кВт;
- Общий КПД до 90%;
- Срок службы не менее 20 лет;
- Габаритные размеры, ориентировочно600х330х300 мм;
- Вес, ориентировочно40кг.
Устройство имеет следующие преимущества (по сравнению с источниками бесперебойного питания на аккумуляторах):
В отопительный сезон полностью и непрерывно обеспечивает электроэнергией систему отопления здания (автоматика газового котла, циркуляционный насос), делая ее независимой от местных электросетей.
Экономит электроэнергию, до 800 кВт*ч за отопительный сезон.
Увеличивает срок службы основного котла, за счет добавления дополнительной ступени нагрева и уменьшения циклов зажигания.
Надежно и просто в эксплуатации. Имеет длительный срок службы. Не боится короткого замыкания и режима холостого хода.
Создает непрерывно действующий резервный источник электропитания, который может быть использован при отключении электроснабжения для: аварийного освещения, зарядки аккумуляторов (автомобиль, мобильный телефон, видеокамера, ноутбук и др.), питания системы охранной и пожарной сигнализации, телевизора, компьютера, аудиотехники и пр.
6. В теплое время года вырабатываемое тепло может использоваться для горячего водоснабжения или для компенсации теплопотерь в системе горячего водоснабжения здания, а электроэнергия — для питания электропотребителей по желанию пользователя или для накапливания в аккумуляторе.
Устройство и принцип работы: Генератор термоэлектрический для отопительной системы (рис.1.) состоит из газовой горелки 1, кожуха горелки 2, силовой рамы 3, двух жидкостных теплообменников 4, двух термоэлектрических батарей 5, теплообменника 6, соединительных труб 7, теплообменника 8, кожуха 9, элементов сжатия 10 и 11. Устройство работает следующим образом:
Продукты сгорания горелки 1 нагревают ребра теплообменника 6. При этом тепловой поток проходит через термоэлектрические батареи 5 и нагревает жидкий теплоноситель (воду, этиленгликоль, пропиленгликоль).
На поверхностях термобатарей образуется перепад температуры DТ, равный разности температур теплообменника 6 и теплообменника 4. На концевых шинах батарей «+» и «-» образуется разность потенциалов. Теплообменники 4 и 6 термобатареи 5 сжимаются между собой в раме 3 винтами 10 через тарельчатые пружины 11. Одновременно продукты сгорания нагревают теплоноситель в теплообменнике 8. Устройство включается в действующую отопительную систему, перед основным отопительным котлом. Нагретый в устройстве теплоноситель передает тепло через пластинчатый теплообменник, поступающей в основной котел «обратке» из системы отопления или исходной воде, подаваемой в систему горячего водоснабжения.
Электроэнергия, вырабатываемая термогенератором, может быть использована для питания какого-либо жизненно важного потребителя.
Электрическая и тепловая мощность может варьироваться. Мощность по электроэнергии составляет 4 — 5 % от выделяемой тепловой мощности.
Себестоимость продукции 1000-1300$ (для генератора с электрической мощностью 200 Вт).
Предлагаемая отпускная цена 1500-2000$.
Примеры другого возможного использования:
Газораспределительные станции (ГРС) используют котлы для подогрева оборудования, охлаждающегося при понижении давления газа — необходимо обеспечить бесперебойное питание автоматики.
Питание лодочных электромоторов (при сжигании газа из стандартного 40 кг баллона может быть получено 700 А*ч электроэнергии, для сравнения емкость автомобильного аккумулятора 55 А*ч).
Бытовые генераторные устройства. В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь это касается возможности питания маломощных потребителей электроэнергии — радиоприемники, сотовые и спутниковые телефоны, переносные компьютеры, устройства автоматики и т.п. от имеющихся источников тепла. Термоэлектрический генератор, в котором отсутствуют вращающиеся, трущиеся и какие-либо другие изнашиваемые части, позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла: выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, горячей воды геотермальных источников, «бросового» тепла ТЭЦ и т.п. Руководствуясь опытом, полученным при создании промышленных термоэлектрических генераторов (ТЭГ) различной мощности — от нескольких Ватт до нескольких килоВатт ИПФ КРИОТЕРМ приступила к серийному производству бытового ТЭГ номинальной мощностью 8 Вт. Конструктивно генератор выполнен в виде алюминиевого ковшика с внутренним объемом около 1 л в донной части которого установлены генераторные модули производства ИПФ Криотерм.
Необходимый для работы генератора перепад температур достигается при разогреве ковшика, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри ковшика может идти на приготовление пищи или на другие цели. Данный генератор в первую очередь предназначен для использования в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, охотников, туристов, моряков, сотрудников вынужденных долгое время находится вдали от энергоснабжения.
Преимуществом генератора является малый вес и объем, высокая удельная генерируемая мощность, функциональность и высокая надежность. Конструкция генератора исключает возможность его перегрева при правильном использовании. В качестве дополнительной опции к генератору предлагается ступенчатый стабилизатор напряжения с диапазонами 3В-6В-9В-12В и переходники для зарядных устройств.
Термоэлектрические генераторы
Предназначены для обеспечения питанием небольших автономных наземных и подземных дистанционных систем, которые включают в себя различные датчики и устройства связи. Перспективным является использование ПТЭГ для питания сигнальных устройств на неэлектрофицированных участках дорог, для обеспечения работы автономных агрометеорологических комплексов в отдаленных и пустынных районах. Особенно эффективным является применение ПТЭГ в системах охранной сигнализации. Термоэлектрический источник электрической энергии работает на основе прямого преобразования тепловой энергии почвы в электрическую. Корпус почвенного термоэлектрического генератора выполнен из био- и гидроустойчивого теплоизолирующего материала, концентраторы защищены антикоррозионным покрытием.
|
Параметр |
Значение |
||||||||
|
ПТЭГ-1 |
ПТЭГ-2 |
ПТЭГ-3 |
ПТЭГ-4 |
ПТЭГ-5 |
ПТЭГ-6 |
ПТЭГ-7 |
ПТЭГ-8 |
||
|
Выходная электрическая мощность, мВт |
5 |
6.5 |
8.5 |
12 |
20 |
5.5 |
10 |
16 |
|
|
Выходное напряжение, В |
3; 6; 12 |
3; 6; 12 |
3; 6; 12 |
3; 6; 12 |
3; 6; 12 |
3; 6; 12 |
3; 6; 12 |
3; 6; 12 |
|
|
Усредненный тепловой поток, мВт |
1440 |
2000 |
2880 |
4500 |
4500 |
156 |
336 |
600 |
|
|
Габариты, мм |
85Ч85Ч250 |
100Ч100Ч250 |
120Ч120Ч250 |
150Ч150Ч250 |
20Ч120Ч250 |
0Ч100Ч250 |
0Ч120Ч250 |
120Ч250 |
|
Термоэлектрический генератор Altec — 8020
Предназначен для преобразования в электрическую энергию промышленных тепловых отходов и отходов тепла от тепловых машин (двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и др.).
Является дополнительным источником энергии, которая может быть использована как для внутренних потребностей, так и для передачи ее во внешнюю электрическую сеть. Использование таких генераторов обеспечивает экономию топливных ресурсов на 5-7%.
Таблица
|
Принцип работы термогенератора основывается на прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую путем использования термоэлектричества.В состав термоэлектрического генератора входят термоэлектрические модули и теплообменники горячего и холодного контуров. Теплообменники горячего контура передают тепло к термоэлектрическим модулям высокотемпературнойсиликоновойжидкостью. Теплообменники холодного контура отводят тепло от термоэлектрических модулей проточной водой. В корпусе термоэлектрического генератора предусмотрены штуцеры входа и выхода холодной проточной воды и штуцеры для подключения теплоносителя. Внешняя нагрузка подключается к клеммам, размещенным на передней панели термогенератора. Генератор может применяться для создания мощных термоэлектрических систем. Соединение определенного числа отдельных термоэлектрических генераторов обеспечивает потребителю необходимую электрическую мощность.№ |
Наименование параметра, единица измерения |
Значение |
|
|
1 |
Температура горячей жидкости на входе, оС |
250 |
|
|
2 |
Расход горячей жидкости, мл/с |
225 |
|
|
3 |
Давление горячей жидкости на входе, МПа |
0.34 |
|
|
4 |
Температура холодной жидкости на входе, оС |
50 |
|
|
5 |
Расход холодной жидкости, мл/с |
100 |
|
|
6 |
Давление холодной жидкости на входе, МПа |
0.12 |
|
|
7 |
Электрическое напряжение, В |
50 |
|
|
8 |
Электрическая мощность, Вт |
500 |
|
|
9 |
КПД,% |
3.7 |
|
|
10 |
Вес, кг |
14 |
|
|
11 |
Габаритные размеры, мм |
320Ч305Ч125 |
|
Мощность современных ТЭГ колеблется от нескольких микроватт до нескольких десятков киловатт, КПД преобразования — от 2 до 10%, срок службы — от 1 года до 25 лет, стоимость установленной мощности — от $12 до $190 на 1 Вт. В России и США разработаны перспективные проекты ядерных термоэлектрических установок (ЯТЭУ), мощность которых достигает сотен и тысяч киловатт.
Термоэлектрические материалы. Широкое применение в конструировании ТЭГ в России и на Западе нашли следующие термоэлектронные материалы, условно подразделяемые на три группы: низкотемпературные (0-300°С) — халькогениды висмута и сурьмы, среднетемпературные (300-600°С) — теллуриды свинца, германия и олова и высокотемпературные (600°С и выше) — кремниево-германиевые сплавы.
Термоэлектрические генераторы на органическом топливе. Такие ТЭГ нашли наибольшее практическое применение в области электро- и теплоснабжения автономных объектов в нефтегазовой промышленности, метеорологии, навигации, сельском хозяйстве, армии и в быту.
В качестве источника теплоты в них используются продукты сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива. С середины 70-х гг. по настоящее время на магистральных газопроводах России успешно эксплуатируется свыше 12 тыс. газовых низкотемпературных ТЭГ первого поколения (УГМ-80, УГМ-80М) и двухкаскадных ТЭГ второго поколения (ГТГ-150) с инфракрасными горелками мощностью от 80 до 150 Вт, разработанных НПО «Квант» и серийно выпускаемых ОАО «Позит». Канадская фирма «Global Thermoelectric» выпустила в 90-е гг. более 4 тыс. газовых среднетемпературных ТЭГ мощностью от 30 до 550 Вт, работающих более чем в 40 странах мира. Низкотемпературные генераторы с каталитическими горелками мощностью от 10 до 90 Вт серийно выпускаются в России НПП БИАТОС и в США компанией «Teledyne Energy Systems».На базе генераторов ГТГ-150 и ГТЖ-160 АО «Саратовгазавтоматика» в начале 90-х гг. освоило серийный выпуск автономных источников питания (АИП) мощностью 400, 750 и 900 Вт напряжением 27 В. За рубежом аналогичные АиП с ТЭГ на газовом топливе созданы в Канаде («Global Thermoelectric»), а АИП на жидком топливе — в Японии. В начале 90-х гг. в России были созданы на предприятии АИТ и выпускаются серийно ОАО «Позит» низкотемпературные бытовые ТЭГ мощностью от 4,5 до 30 Вт и напряжением от 6 до 12 Вт (ГТГ-4,5-12, ГТУ-15-12 и ГТГ-30-12).
Реакторные термоэлектрические генераторы (РТЭГ).
Требуемые уровни электрической мощности ТЭГ — от единиц до нескольких сотен и тысяч киловатт — могут быть обеспечены только в сочетании с ядерными реакторами (ЯР) в качестве источника теплоты. По способу теплопередачи от ЯР к горячим спаям РТЭГ можно разделить на три типа: вынесенные, в которых ТЭГ размещен вне ЯР, а теплопередача осуществляется циркуляционными теплоносителями; встроенные, в которых ЯР и ТЭГ совмещены в едином блоке, ТЭБ размещены на оболочках ТВЭЛ или на отражателе, а теплопередача осуществляется теплопроводностью; и промежуточные, в которых отвод теплоты от ЯР осуществляется тепловыми трубами. Отвод теплоты от холодных спаев ТЭГ всех типов осуществляется хладоагентом или излучением
Начиная с 60-х гг. и по настоящее время, ведущими предприятиями бывшего СССР (РНЦ Курчатовский институт» Обнинского физико-энергетического института, НПО «Красная Звезда» и «Квант», Сухумский ФТИ), а также такими компаниями США как «Atomic Internation», «Martin Marietta», «Westinghouse Electric Co.», «General Electriuc Co.» создан и опробован в эксплуатации ряд уникальных ядерных термоэлектрических энергоустановок.
солнечный энергия термоэлектрический генератор
2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Быстрый рост энергопотребления является одной из наиболее характерных особенностей технической деятельности человечества во второй половине XX века. Развитие энергетики до недавнего времени не встречало принципиальных трудностей. Увеличение производства энергии происходило в основном за счет увеличения добычи нефти и газа, наиболее удобных в потреблении. Однако энергетика оказалась первой крупной отраслью мировой экономики, которая столкнулась с ситуацией истощения своей традиционной сырьевой базы. В начале 70-х годов энергетический кризис разразился во многих странах. Одной из причин этого кризиса явилась ограниченность ископаемых энергетических ресурсов. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьем для интенсивно развивающейся химической промышленности. Поэтому сейчас все труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии.
Атомная энергетика в последнее время также столкнулась со значительными трудностями, связанными, в первую очередь, с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций. Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников, в первую очередь угля и ядерного топлива, является причиной ухудшения экологической обстановки на Земле. Существенным является также и «тепловое загрязнение» планеты, происходящее при сжигании любого вида топлива. Допустимый верхний предел выработки энергии на Земле, по оценкам ряда ученых, всего на два порядка выше нынешнего среднего мирового уровня. Такой рост энергопотребления может привести к увеличению температуры на поверхности Земли примерно на один градус. Нарушение энергобаланса планеты в таких масштабах может дать необратимые опасные изменения климата. Эти обстоятельства определяют возрастающую роль возобновляемых источников энергии, широкое использование которых не приведет к нарушению экологического баланса Земли.
2.1 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ — ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ
Большинство возобновляемых видов энергии — гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия — характеризуется либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования.
Суммарный потенциал большинства возобновляемых источников энергии позволит увеличить потребление энергии с нынешнего уровня всего лишь на порядок. Но существует еще один источник энергии — Солнце.
Солнце, звезда спектрального класса 2, желтый карлик, очень средняя звезда по всем своим основным параметрам: массе, радиусу, температуре и абсолютной величине. Но эта звезда имеет одну уникальную особенность — это «наша звезда», и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде.
Наше светило поставляет Земле мощность около 1017 Вт — такова сила «солнечного зайчика» диаметром 12,7 тыс. км, который постоянно освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты.
Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в зените, составляет 1 кВт/м2. При разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет. Доводы противников крупномасштабного использования солнечной энергии сводятся в основном к следующим аргументам:
1. Удельная мощность солнечной радиации мала, и крупномасштабное преобразование солнечной энергии потребует очень больших площадей.
2. Преобразование солнечной энергии очень дорого и требует практически нереальных материальных и трудовых затрат.
Действительно, как велика будет площадь Земли, покрытой преобразовательными системами, для производства заметной в мировом энергетическом бюджете доли электроэнергии? Очевидно, что эта площадь зависит от эффективности используемых преобразовательных систем. Для оценки эффективности фотоэлектрических преобразователей, осуществляющих прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов, введем понятие коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, определяемого как отношение мощности электроэнергии, вырабатываемой данным элементом, к мощности падающего на поверхность фотоэлемента солнечного зайчика. Так, при КПД солнечных преобразователей, равном 10% (типичные значения КПД для кремниевых фотоэлементов, широко освоенных в серийном промышленном производстве для нужд наземной энергетики), для производства электроэнергии потребовалось бы покрыть фотопреобразователями большую площадь. При этом интенсивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м.кв., что соответствует типичному среднему значению в течение года для южных широт. То есть «низкая плотность» солнечной радиации не является препятствием для развития крупномасштабной солнечной энергетики. Возможные пути создания экономичных преобразователей солнечной энергии будут рассмотрены в следующих разделах настоящей статьи.
Приведенные выше соображения являются достаточно веским аргументом: проблему преобразования солнечной энергии необходимо решать сегодня, чтобы использовать эту энергию завтра. Можно хотя бы в шутку рассматривать эту проблему в рамках решения энергетических задач по управляемому термоядерному синтезу, когда эффективный реактор (Солнце) создан самой природой и обеспечивает ресурс надежной и безопасной работы на многие миллионы лет, а наша задача заключается лишь в разработке наземной преобразовательной подстанции. В последнее время в мире проведены широкие исследования в области солнечной энергетики, которые показали, что уже в ближайшее время этот метод получения энергии может стать экономически оправданным и найти широкое применение.
Россия богата природными ресурсами. Мы имеем значительные запасы ископаемого топлива — угля, нефти, газа. Однако использование солнечной энергии имеет и для нашей страны большое значение. Несмотря на то, что значительная часть территории России лежит в высоких широтах, некоторые весьма большие южные районы нашей страны по своему климату очень благоприятны для широкого использования солнечной энергии. Еще большие перспективы имеет использование солнечной энергии в странах экваториального пояса Земли и близких к этому поясу районах, характеризуемых высоким уровнем поступления солнечной энергии. Так, в ряде районов Центральной Азии продолжительность прямого солнечного облучения достигает 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность составляет 1500 — 1850 кВт*час/м.кв.
Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:
- прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);
— фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Прямой тепловой нагрев является наиболее простым методом преобразования солнечной энергии и широко используется в южных районах России и в странах экваториального пояса в установках солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.п.
Основой солнечных теплоиспользующих установок являются плоские солнечные коллекторы — поглотители солнечного излучения. Вода или другая жидкость, находясь в контакте с поглотителем, нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем нагретая жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере необходимости. Подобное устройство напоминает системы бытового горячего водоснабжения.
Электроэнергия является наиболее удобным для использования и передачи видом энергии. Поэтому понятен интерес исследователей к разработке и созданию солнечных электростанций, использующих промежуточное преобразование солнечной энергии в тепло с последующим его преобразованием в электроэнергию.
В мире сейчас наиболее распространены солнечные тепловые электростанции двух типов:
1) башенного типа с концентрацией солнечной энергии на одном гелиоприемнике, осуществляемой с помощью большого количества плоских зеркал;
2) рассредоточенные системы из параболоидов и параболоцилиндров, в фокусе которых размещены тепловые приемники и преобразователи малой мощности.
2.2 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Важный вклад в понимание механизма действия фотоэффекта в полупроводниках внес основатель Физико-технического института (ФТИ) Российской Академии наук академик А.Ф. Иоффе. Он мечтал о применении полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике уже в тридцатые годы, когда Б.Т. Коломиец и Ю.П. Маслаковец создали в ФТИ сернисто-таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени КПД = 1%.
Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского «Спутник»-3 и американского «Авангард»-1. С этого времени вот уже более 35 лет полупроводниковые солнечные батареи являются основным и почти единственным источником энергоснабжения космических аппаратов и больших орбитальных станций типа «Салют» и «Мир». Большой задел, наработанный учеными в области солнечных батарей космического назначения, позволил развернуть также работы по наземной фотоэлектрической энергетике.
Основу фотоэлементов составляет полупроводниковая структура с p-n переходом, возникающим на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Заметим, что эта терминология берет начало от английских слов positive (положительный) и negative (отрицательный).
Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Так, например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы — электронную (отрицательную).
Контакт p- или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего чрезвычайно важную роль в работе солнечного фотоэлемента. Поясним причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, — вернуть электроны в n-область. Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате двух процессов, действующих в противоположные стороны (диффузии и движения носителей тока в электрическом поле), устанавливается стационарное, равновесное состояние: на границе возникает заряженный слой, препятствующий проникновению электронов из n-полупроводника, а дырок из p-полупроводника. Другими словами, в области p-n перехода возникает энергетический (потенциальный) барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию. Не останавливаясь на описании электрических характеристик p-n перехода, который широко используется в выпрямителях, транзисторах и других полупроводниковых приборах, рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах.
При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются в «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода. Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки — в полупроводнике p-типа. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа — отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов — фотоЭДС. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов — накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера — при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности света. При очень большой интенсивности света, когда потенциальный барьер оказывается практически нулевым, величина фотоЭДС выходит на «насыщение» и становится равной высоте барьера на неосвещенном p-n переходе. При засветке же прямым, а также сконцентрированным до 100 — 1000 крат солнечным излучением, величина фотоЭДС составляет 50 — 85% от величины контактной разности потенциала p-n перехода.
Мы рассмотрели процесс возникновения фотоЭДС, возникающей на контактах к p- и n-областям p-n перехода. При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, например питаемого солнечной батареей калькулятора, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность. Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала, например кремния. В пластине создаются области с p- и n- типами проводимости. В качестве методов создания этих областей используется, например, метод диффузии примесей или метод наращивания одного полупроводника на другой. Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты (на рисунке электроды заштрихованы), причем нижний контакт — сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой структуры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой токосборной шиной).
Основным материалом для получения солнечных элементов является кремний. Технология получения полупроводникового кремния и фотоэлементов на его основе базируется на методах, разработанных в микроэлектронике — наиболее развитой промышленной технологии. Кремний, по-видимому, вообще один из самых изученных материалов в природе, к тому же второй по распространенности после кислорода. Если учесть, что первые солнечные элементы были изготовлены из кремния около сорока лет назад, то естественно, что этот материал играет первую скрипку в программах фотоэлектрической солнечной энергетики. Фотоэлементы из монокристаллического кремния сочетают достоинства использования относительно дешевого полупроводникового материала с высокими параметрами получаемых на его основе приборов.
До недавнего времени солнечные батареи наземного применения, так же как и космического, изготавливали на основе относительно дорогого монокристаллического кремния. Снижение стоимости исходного кремния, разработка высокопроизводительных методов изготовления пластин из слитков и прогрессивных технологий изготовления солнечных элементов позволили в несколько раз снизить стоимость наземных солнечных батарей на их основе. Основными направлениями работ по дальнейшему снижению стоимости «солнечной» электроэнергии являются: получение элементов на основе дешевого, в том числе ленточного, поликристаллического кремния; разработка дешевых тонкопленочных элементов на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов; осуществление преобразования концентрированного солнечного излучения с помощью высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк.
В последние годы в мире достигнут значительный прогресс в области разработки кремниевых солнечных элементов, работающих при концентрированном солнечном облучении. Созданы кремниевые элементы с КПД > 25% в условиях облучения на поверхности Земли при степени концентрирования 20 — 50 «солнц». Значительно бЧльшие степени концентрирования допускают фотоэлементы на основе полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк, впервые созданные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в 1969 году. В таких солнечных элементах достигаются значения КПД > 25% при степени концентрирования до 1000 крат. Несмотря на большую стоимость таких элементов, их вклад в стоимость получаемой электроэнергии не оказывается определяющим при высоких степенях концентрирования солнечного излучения вследствие существенного (до 1000 раз) снижения их площади. Ситуация, при которой стоимость фотоэлементов не дает существенного вклада в общую стоимость солнечной энергоустановки, делает оправданным усложнение и удорожание фотоэлемента, если это обеспечивает увеличение КПД. Этим объясняется внимание, уделяемое в настоящее время разработкам каскадных солнечных элементов, которые позволяют достичь существенного увеличения КПД. В каскадном солнечном элементе солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью фотоэлементов, выполненных на основе различных материалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двухэлементных каскадах теоретическое значение КПД превышает 40%.
Из сказанного выше следует вывод о перспективности фотоэлектрической солнечной энергетики. Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии, оно поступает во все уголки Земли, находится «под рукой» у любого потребителя и является экологически чистым доступным источником энергии.
Недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную поверхность, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а также погодными условиями. Поэтому весьма важной является проблема аккумулирования электроэнергии, вырабатываемой с помощью солнечных энергоустановок. В настоящее время эта проблема решается в основном путем использования обычных химических накопителей — аккумуляторов. Одним из перспективных способов аккумулирования является использование электроэнергии для электролиза воды на водород и кислород с последующим хранением и использованием водорода в качестве экологически чистого топлива, так как при сгорании водорода образуются только пары воды.
Крупномасштабное развитие фотоэнергетики даст огромный толчок развитию районов Земли с высоким среднегодовым поступлением солнечного излучения. Это касается в первую очередь пустынных и засушливых районов, которые с «приходом» солнечной электроэнергии станут районами, пригодными для активного земледелия — житницами Земли. Значит ли это, что усилия специалистов надо сосредоточить только на разработке фотоэлектрических преобразователей и решении непосредственно связанных с ними проблем? Конечно, нет. Нельзя развивать какое-то одно направление за счет подавления других направлений. Это же касается и электроэнергетики: ее нельзя строить, базируясь только на одном виде ресурсов. Она должна основываться на многих источниках: солнечных, ветровых, атомных и, конечно, на традиционных, ископаемых источниках. Это позволит найти оптимальные пути их взаимодействия, постепенно переходя к совершенной, экологически чистой и надежной энергетике будущего.
3. Элементы солнечных батарей и дополнительные компоненты
3.1 ЭЛЕМЕНТЫ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ
Модули солнечной батареи наземного применения как правило конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12В. При этом последовательно соединяются 36 солнечных элементов, и далее собираются в модуль. Полученный пакет как правило обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей (опорной) конструкции. Мощность модулей солнечной батареи может достигать 10-300Вт.
Электрические параметры таких модулей отражаются в вольтамперной характеристике, определенной при стандартных условиях (т.е. когда мощность солнечной радиации равняется 1000 Вт/м 2 , температура элементов — 25°С и солнечный спектр — на широте 45°).
Точка пересечения кривой с осью напряжения называется напряжением холостого хода Vх.х. , а с осью тока — током короткого замыкания Iк.з . На этом же графике приведена кривая мощности, получаемой от солнечных элементов в зависимости от нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при стандартных условиях. Значение напряжения, соответствующее максимальной мощности именуется рабочим напряжением Vр , а соответствующий ток — рабочим током Iр . Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов примерно равно 16-17В (0,45-0,47В/элемент) при 25°С. Такой запас по напряжению нужен для того, чтобы компенсировать уменьшение рабочего напряжения при разогреве модуля солнечным излучением. Температурный коэффициент напряжения холостого хода для кремния составляет — минус 0,4%/градус. Температурный коэффициент тока — плюс 0,07 %/градус. Напряжение холостого хода солнечного модуля мало меняется при изменении освещенности, в то время как ток короткого замыкания прямо пропорционален. КПД солнечного модуля определяется как отношение максимальной мощности модуля к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при стандартных условиях, и составляет 15-40%.
Рис.1. Вольтамперная характеристика солнечной батареи
С целью получения требуемой мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно или параллельно. Так получают солнечную батарею. Мощность солнечной батареи всегда ниже, чем сумма мощностей модулей — из-за потерь, обусловленных различием в характеристиках однотипных модулей (потерь на рассогласование).
Чем тщательнее подобраны модули в батарее (то есть, чем меньше различие в характеристиках модулей), тем ниже потери на рассогласование. К примеру, при последовательном соединении десяти модулей с разбросом характеристик 10% потери составляют примерно 6%, а при разбросе 5% — снижаются до 2%.
В случаи затенения одного модуля, или части элементов в модуле, в солнечной батарее при последовательном соединении появляется «эффект горячего пятна» — затененный модуль (или элемент) начинает рассеивать всю производимую освещенными модулями (или элементами) мощность, стремительно нагревается и выходит из строя. Для устранения этого эффекта параллельно с каждым модулем (или его частью) устанавливают шунтирующий диод. Диод нужен при последовательном соединении более двух модулей. К каждой линейке (последовательно соединенных модулей) также подключается блокирующий диод для выравнивания напряжений линеек. Все эти диоды как правило размещаются в соединительной коробке самого модуля. Схема батареи приведена на рисунок 2.
