Особенности термоэлектрических генераторов

Теплоэлектростанции признаны в мире как наиболее дешевый вариант получения энергии. Но существует альтернатива этому способу, которая отличается экологичностью, – термоэлектрические генераторы (ТЭГ).

Термоэлектрический генератор – это приспособление, задача которого заключается в превращении тепловой энергии в электричество путем применения системы термических элементов.

Понятие «тепловая» энергия в данном контексте трактуется не совсем верно, так как тепло означает лишь метод превращения данной энергии.

ТЭГ представляет собой термоэлектрическое явление, которое впервые было проиллюстрировано немецким физиком Томасом Зеебеком в 20-ых годах 19 столетия. Результат исследования Зеебека трактуется как электрическое сопротивление в цепи из двух отличающихся материалов, однако весь процесс протекает лишь в зависимости от температуры.

Принцип работы термоэлектрического генератора, или, как его еще называют, теплового насоса, основывается на преобразовании энергии тепла в электрическую энергию с использованием термических элементов полупроводников, которые связываются между собой параллельно или последовательно.

В ходе проведения исследований немецким ученым был создан совершенно новый эффект Пелтье, в котором указывается, что абсолютно разные материалы полупроводников при проведении спаивания дают возможность обнаружить отличие температур между их боковыми точками.

Но как же понять, как работает данная система? Все довольно-таки просто, такая концепция основана на определенном алгоритме: когда один из элементов охлаждают, а другой нагревают, то мы получаем энергию силы тока и напряжения. Главная особенность, которая выделяет из остальных именно этот метод, заключается в том, что тут могут использоваться всевозможные источники тепла, среди которых недавно отключенная плита, лампа, костер или даже чашка с только налитым чаем. Ну а охлаждающим элементом чаще всего является воздух или же обычная вода.

Как же устроены эти термические генераторы? Они состоят из специальных термических батареек, которые изготавливают из материалов проводников, и тепловых обменников разнородных температур спаев термобатарей.

Схема электрической цепи выглядит следующим образом: термоэлементы полупроводников, ветви прямоугольной формы n- и p-типа проводимой способности, соединенные пластины холодных и горячих сплавов, а также высокая нагрузка.

Среди положительных сторон термоэлектрического модуля отмечают возможность использовать абсолютно во всех условиях, в том числе и в походах, да и к тому же легкость транспортировки. Более того, в них отсутствуют подвижные детали, которые имеют свойство быстро изнашиваться.

А к недостаткам относят далеко не низкую стоимость, низкий коэффициент полезного действия (приблизительно 2–3%), а также важность еще одного источника, который обеспечит рациональный перепад температур.

Следует отметить, что ученые активно работают над перспективами усовершенствования и устранения всех погрешностей в получении энергии таким способом. Продолжаются эксперименты и исследования по разработке наиболее эффективных термических батареек, которые помогут повысить значение коэффициента полезного действия.

Однако довольно сложно определить оптимальность этих вариантов, так как они базируются исключительно на практических показателях, не имея при этом теоретического обоснования.

Существует теория, что на современном этапе физиками будет использоваться технологически новый метод замены сплавов на более эффективные, в отдельности с внедрением нанотехнологий. Более того, возможен вариант использования нетрадиционных исходников. Так, в университете Калифорнии был проведен эксперимент, где термические батарейки заменили синтезированной искусственной молекулой, которая выступала как связующий материал золотых микроскопических полупроводников. Согласно проведенным опытам стало ясно, что результативность нынешних исследований покажет лишь время.

В зависимости от методов получения электроэнергии, источников тепла, а также от разновидностей задействованных структурных элементов все термоэлектрические генераторы бывают на нескольких видов.

Топливные. Получают тепло от сжигания топлива, который представляет собой уголь, природный газ и нефть, а также тепло, полученное путем сгорания пиротехнических групп (шашек).

Атомные термоэлектрические генераторы, в которых источником выступает тепло атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоний-238, торий), зачастую здесь термический насос — вторая и третья ступени превращения.

Солнечные генераторы формируют тепло от солнечных коммуникаторов, которые известны нам в повседневной жизни (зеркала, линзы, тепловые трубы).

Утилизационные генерируют тепло из всевозможных источников, в результате чего выделяется отходное тепло (выбросные и топочные газы и прочее).

Радиоизотопные получают тепло путем распада и расщепления изотопов, данный процесс характеризуется неконтролируемостью самого расщепления, и результатом выступает момент полураспада элементов.

Градиентные термоэлектрические генераторы базируются на перепаде температур без каких-либо вмешательств извне: между окружающей средой и местом проведения эксперимента (специально оснащенным оборудованием, промышленным трубопроводом и т. д.) с использованием исходного отправного тока. Приведенный тип теплоэлектрического генератора был использован с утилизацией полученной электрической энергии от эффекта Зеебека для превращения в тепловую энергию согласно закону Джоуля-Ленца.

Из-за низкого коэффициента полезного действия термоэлектрические генераторы широко используются там, где отсутствуют какие-либо другие варианты источников энергии, а также во время процессов со значительной нехваткой тепла.

Данное устройство характеризуется наличием эмалированной поверхности, источника электроэнергии, в том числе и обогревателя. Мощности такого приспособления может хватить для того, чтобы зарядить мобильное устройство или же другие девайсы с помощью гнезда прикуривателей для автомобилей. Исходя из параметров, можно сделать вывод, что генератор способен работать без обычных условий, а именно, без наличия газа, отопительной системы и электричества.

Фирмой BioLite была представлена новая модель для походов – портативная печка, которая позволит не только разогреть еду, но и зарядить ваше мобильное устройство. Все это возможно благодаря встроенному в это приспособление термоэлектрическому генератору.

В них источником энергии выступает тепло, которое образуется в результате расщепления микроэлементов. Они нуждаются в постоянном снабжении топливом, поэтому имеют превосходство над другими генераторами. Однако их существенный недостаток заключается в том, что при работе необходимо соблюдать правила безопасности, так как имеет место излучение ионизированными материалами.

Несмотря на то что запуск таких генераторов может быть опасен, в том числе и для экологической ситуации, их использование довольно распространено. Например, их утилизация возможна не только на Земле, но и в космосе. Известно, что радиоизотопные генераторы применяются для заряда навигационных систем, чаще всего в местах, где отсутствуют системы связи.

Термобатарейки выступают как преобразователи, а также их конструкцию составляют электроизмерительные приборы, калиброванные в Цельсиях. Погрешность в таких приборах обычно приравнивается к 0,01 градусам. Но необходимо отметить, что данные устройства разработаны для использования в диапазоне от минимальной черты абсолютного нуля и до 2000 градусов по Цельсию.

В связи с развитием научно-технического прогресса, а также углубленными исследованиями в физике получает популярность применение термоэлектрических генераторов в транспортных средствах для восстановления энергии тепла, чтобы переработать вещества, которые извлекают из вытяжных систем автомобилей.

В следующем видео представлен обзор современного термогенератора электричества для похода BioLite energy everywhere.