3. Термоэлектрические генераторы

Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) относительно небольшой мощности применяются наиболее широко.

Основные достоинства ТЭГ: 1) отсутствуют движу­щиеся части; 2) нет необходимости в высоких давлениях;

2. могут использоваться любые источники теплоты;

3. имеется большой ресурс работы.

В качестве источников энергии ТЭГ широко исполь­зуют на космических объектах, ракетах, подводных лод­ках, маяках и многих других установках.

В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразо­вывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энер­гию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, получаемая при распаде радиоактивных изотопов и де­лении ядер тяжелых элементов в реакторах, стала при­меняться в ТЭГ с конца 50-х годов.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. В 1921 г. Зеебек сообщил об экспериментах, связанных с отклонением магнитной стрелки вблизи тер­моэлектрических цепей. В этих исследованиях Зеебек не рассматривал задачу получения энергии. Сущность от­крытого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.

Эффект Зеебека можно качественно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному увеличивается с повы­шением температуры. Если вдоль проводника существу­ет перепад температур, то возникает направленный по­ток электронов от горячего спая к холодному, вследст­вие чего у холодного спая образуется избыток отрица­тельных зарядов, у горячего— избыток положительных. Поток этот более интенсивен в проводниках с большой концентрацией электронов. В простейшем термоэлемен­те, замкнутая цепь которого состоит из двух проводни­ков с разными концентрациями электронов и спаи под­держиваются при разных температурах, возникает элек­трический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не уста­новится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, ухо­дящими от холодного конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следовательно, тем выше ЭДС. Поэтому по­лупроводниковые элементы более эффективны, чем ме­таллы.

Одно из практических применений ТЭГов — тепловой насос в одной части выделяющий, а в другой — поглоща­ющий теплоту за счет электрической энергии. Если из­менить направление тока, то насос будет работать в противоположном режиме, т. е. части, в которых проис­ходит выделение и поглощение теплоты, поменяются местами. Такие тепловые насосы могут успешно приме­няться для терморегуляции жилых и прочих помещений. Зимой насосы нагревают воздух в помещении и охлаж­дают его на улице (рис. 3.6,а), а летом, наоборот,

Р

5)

ис. 3.6. Схема работы теплового насоса:

а — тепловой насос, обогре­вающий комнату зимой; 5 — тепловой насос, охлаж­дающий комнату летом; в — общий вид и конструктив­ное выполнение теплового насоса

охлаждают воздух в помещении и нагревают на улице (рис. 3.6,6). На рис. 3.6,6 показаны общий вид и схема установки теплового насоса в помещении.

Тепловые насосы могут подогревать воду на фермах, используя теплоту молока. Так, парное молоко коровы, имеющее температуру 37—38°С и содержащее Q i ккал, должно быть охлаждено перед отправкой на молокозавод до 4°С. Если охлаждать его с помощью теплового насоса, то выходящая из насоса охлаждающая вода бу­дет иметь температуру 50—60°С. Повышение температуры воды обусловлено введением от внешнего источника дополнительной

энергии, соответствующей дополнительной теплоте Q₀. При этом теплота нагреваемой воды Q2==Qi + Qo- Эта вода хорошо исполь­зуется в производственном процессе фермы, в результате чего установка окупается в два-три года.

В настоящее время созданы полупроводники, работа­ющие при температуре более 500°С. Однако для про­мышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести примерно до 1100°С. При таком повышении тем­пературы полупроводники различных типов проявляют тенденцию к превращению в собственно полупроводни­ки, у которых числа носителей положительных и отрица­тельных зарядов равны. Эти заряды при создании гра­диента температуры перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве и, следовательно, накап­ливание потенциала не происходит, т. е. не создается термо-ЭДС. Собственно полупроводники бесполезны для целей генерирования термоэлектрического тока.

В настоящее время широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при высоких температурах. Для работы ТЭГа можно использовать теплоту, получаемую в реакторах при делении ядер тя­желых элементов. Однако в этом случае требуется ре­шить ряд задач, в частности определить влияние эффекта сильного радиационного воздействия на полупроводнико­вые материалы, так как ядерное горючее может нахо­диться в непосредственном контакте с полупроводнико­выми материалами.

Вопрос о целесообразности применения тех или иных источников энергии решается в пользу ТЭГ в тех слу­чаях, когда ведущее значение имеет не КПД, а компакт­ность, надежность, портативность, удобства.

В СССР создан надежный промышленный ТЭГ на ядерном горючем — «Ромашка». Электрическая мощ­ность его равна 500 Вт.

3. РАДИОИЗОТОПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Естественный радиоактивный распад ядер сопровож­дается выделением кинетической энергии частиц и у-квантов. Эта энергия поглощается средой, окружаю­щей радиоактивный изотоп, и превращается в теплоту, которую можно использовать для получения электриче­ской энергии термоэлектрическим способом. Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энергию с помощью термоэле­ментов, называются радиоизотопными термогенератора­ми. Радионзотопные термогенераторы надежны в рабо­те, обладают большим сроком службы, компактны и успешно используются в качестве автономных источни­ков энергии для различных установок космического и наземного назначений.

Современные радионзотопные генераторы имеют КПД, равный 3—5%, и срок службы от 3 месяцев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих ге­нераторов в будущем могут быть значительно улучшены. В настоящее время создаются проекты генераторов мощностью до 10 кВт.

К радиоизотопным термогенераторам проявляют ин­терес различные отрасли науки и техники. Их предпола­гается использовать в виде источника энергии искусст­венного сердца человека, а также для стимулирования работы различных органов в живых организмах. Осо­бенно пригодными оказались радионзотопные термогене­раторы при освоении космического пространства, где необходимы источники энергии, способные длительно и надежно работать в неблагоприятных условиях воздей­ствия ионизирующих излучений, в радиационных поясах, на поверхности других планет и их спутников.

3. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Эдисоном в 1883 г. Работая над созданием электри­ческой лампы, Эдисон помещал в колбе две нити. Когда перегорала одна из них, он поворачивал лампу и вклю­чал другую. Во время испытания ламп обнаруживалось, что некоторое количество электричества переходит к хо­лодной нити, т. е. электроны «испаряются» с горячей нити — катода — и движутся к холодной нити — ано­ду — и далее во внешнюю электрическую цепь. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а часть энергии электронов выделяется во внешней элек­трической цепи при протекании электрического тока.

Анод разогревается за счет теплоты, приносимой электронами. Если бы температуры катода и анода бы­ли одинаковыми, то теплота «испарения» электронов с катода в точности была бы равна теплоте «конденсации» электронов на аноде и не было бы преобразования теп­лоты в электрическую энергию. Чем меньше температу­

ра анода по сравнению с температурой катода, тем боль­шая часть тепловой энергии превращается в электриче­скую. Простейшая схема термоэмиссионного преобразо­вателя энергии показана на рис. 3.7.

В

Рис. 3.7. Устройст­во термоэмиссионно­го преобразователя энергии:

1 — катод; 2 — анод

обычной диодной радиолампе мощность, расходуе­мая на нагревание катода, примерно равна 10 Вт, а вы­ходная мощность, снимаемая с ано­да,— 1 мВт. Таким образом, на на­гревание расходуется мощность, в

107. раз большая. КПД преобразова­теля составляет ничтожно малую величину — 0,Ы0^-4%. Если бы КПД был даже в миллион раз боль­ше, то это устройство все равно нельзя было бы рассматривать как преобразователь энергии для про­мышленных целей. Однако прогресс в развитии термоэмиссионных пре­образователей оказался настолько значительным, что удалось КПД современных диодных преобразователей энергии довести до 20%.

В

1

©	©	©	©
©	©	©	©
©	©	©	©
©	©	©	©

©			©
©	©	г©	©
©	©	©	©
©	©	©	©

©	© ©	©
©	© © © ©	©
©		©
©	© © ©

Рис. 3.8. Возникновение результирующих сил, действующих на электрон в металле и вблизи его поверхности

тронов — около 6-10²¹ в 1 см³. Внутри металла силы притяжения электрона сбалансированы положительно заряженными ядрами (рис. 3.8). Непосредственно у по­верхности на электроны действуют результирующие силы притяжения, для преодоления которых и выхода за пре­делы металла электрону нужно обладать достаточной

процессе термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов происходит выход свободных электронов. В металлах содержится большое число свободных элект-

Использование геотермальной энергии в современных условиях в значительной степени зависит от затрат, не­обходимых для вывода на поверхность геотермального теплоносителя в виде пара или горячей воды. Все дейст­вующие в настоящее время геотермальные электростан­ции располагаются в таких районах Земли, в которых

Рис. 3.14. Схема геотермальной электростанции для невулканических районов:

/ — скважина; 2 — бак-аккумулятор; 3 — расширитель;

4 — турбина; 3 — генератор; б — градирня; 7 — насос,

8 — смешивающий конденсатор; 9, 10 — насос

температура теплоносителя достигает 150—360°С на глу­бинах, не превышающих 2—5 км.

В последнее время более интенсивно проводятся по­иски участков Земли с минимальной глубиной располо­жения геотермальных ресурсов. На таких участках рен­табельно создание систем, осуществляющих теплоснаб­жение и получение электрической энергии.

Практически все геотермальные источники содержат примеси в виде различных химических элементов. Хими­ческая активность подземных теплоносителей, в составе которых могут быть ртуть, мышьяк, вызывает отрица­тельные экологические эффекты, а также усиливает кор­розию конструкционных материалов энергетического оборудования. Извлечение химических элементов до отбора теплоты от теплоносителя позволяет снизить экологическое влияние, уменьшить химическую корро­зию и получить ценное сырье для химической промыш­ленности. Так, в некоторых скважинах Южно-Каспий- ского бассейна в 1 л воды содержится, мг: свинца — 77, цинка — 5, кадмия — 2, меди — 15,

В настоящее время геотермальные источники больше используются для теплоснабжения, чем для выработки электрической энергии. Это объясняется как технически­ми трудностями в работе геотермальных электростанций, так и высокой стоимостью их в расчете на единицу уста­новленной мощности.