В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, может производить электричество. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук.[1] В основе термоэлектрического эффекта Зеебека лежит тот факт, что температурный градиент в токопроводящем материале вызывает тепловой поток; это приводит к переносу носителей заряда. Поток носителей заряда между горячими и холодными областями, в свою очередь, создает разность потенциалов.
В 1834 годуЖан-Шарль Пельтье обнаружил обратный эффект, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников.[2]
Типы применяемых термоэлектрогенераторов
Топливные: тепло от сжигания топлива (природный газ, нефть, уголь) и тепло от горения пиротехнических составов (шашек).
Солнечные: тепло от солнечных коллекторов (зеркала, линзы, тепловые трубы).
Утилизационные: тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные и печные газы, тепло керосиновых ламп и др).
Градиентные: основанные на естественном перепаде температур между окружающей средой и помещением (оборудованием, технологическим трубопроводом с тёплой перемещаемой средой и т.д.) с применением первоначального пускового тока. В основе данного типа термоэлектрогенераторов — использование части полученной электрической энергии от эффекта Зеебека для преобразования в тепловую по закону Джоуля-Ленца.
Термосифонные: использование естественного тепла земли или воды, в случае отрицательных наружных температур. Тепловая энергия земли, посредством термосифона, установленного в скважину, доставляется к термоэлектрическому генератору, оборудованному радиатором с воздушным оребрением. За счет разницы температур генерируется электрическая энергия.
Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии
Для термоэлектрогенераторов используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик (тысячи сплавов и соединений), но лишь немногие из них могут использоваться для преобразования тепловой энергии.[3] Современная наука постоянно изыскивает новые и новые полупроводниковые композиции и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах. Определённо можно сказать, что на сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным способом в создании такого материала является эксперимент. Важнейшими свойствами полупроводникового материала для термоэлектрогенераторов являются:
КПД: желателен как можно более высокий КПД;
Технологичность: возможность любых видов обработки;
Стоимость: желательно отсутствие в составе редких элементов или их меньшее количество, достаточная сырьевая база (для расширения сфер ассимиляции и доступности);
Коэффициент термо-ЭДС: желателен как можно более высокий коэффициент термо-ЭДС (для упрощения конструкции);
Токсичность: желательно отсутствие или малое содержание токсичных элементов (например: свинец, висмут, теллур, селен) или их инертное состояние (в составе сплавов);
Рабочие температуры: желателен как можно более широкий температурный диапазон для использования высокопотенциального тепла и, следовательно, увеличения преобразуемой тепловой мощности.
Примечание: Коэффициент Карно = 1 соответствует 100 %.
Из таблицы заметен существенный рост КПД, связанный прежде всего с тщательным совершенствованием технологий изготовления материалов, рациональным исполнением конструкций, развитием материаловедения в области термоэлектричества.
Радиоизотопные термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов, предназначенных для исследования удалённых от Солнца областей Солнечной системы. В частности, такие генераторы, использующие тепло плутониевых тепловыделяющих элементов, установлены на космических аппаратах «Кассини» и «Новые горизонты». В прошлом подобные устройства применялись и на Земле — в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания (напр., Крайний Север).
В последние годы термоэлектрические генераторы получили применение в автомобильной технике для рекуперации тепловой энергии, например для утилизации тепла элементов выхлопной системы.
