Принцип работы и применение термоэлектрических генераторов

Что такое термоэлектрический генератор?

Термоэлектрический генератор — это устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Основой его работы служит эффект Зеебека, который заключается в возникновении термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, если места их соединения (спаи) имеют разную температуру. Такая элементарная цепь называется термопарой или термоэлементом. Способность пары материалов генерировать напряжение характеризуется коэффициентом термо-ЭДС, или термосилой.
В реальных генераторах используются термобатареи, собранные из множества полупроводниковых термоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Для поддержания необходимой разности температур горячие и холодные спаи этих батарей оснащаются специальными теплообменниками.

Классификация и характеристики

Термоэлектрические генераторы классифицируют по нескольким ключевым параметрам: рабочему температурному интервалу, материалам термоэлементов, назначению, типу источника тепла и выходной мощности.
По температуре они делятся на:

• Низкотемпературные (20—300 °С)
• Среднетемпературные (300—600 °С)
• Высокотемпературные (600—1000 °С)

В качестве материалов для термоэлементов чаще всего применяют твердые растворы на основе кремния и германия, а также различные халькогениды (соединения с серой, селеном, теллуром).

Источники тепла и эффективность

Тепло для работы генератора может поступать от различных источников: радиоизотопов, сгорания газа или солнечной энергии. Устройства, использующие солнечное излучение, выделяют в отдельный класс — солнечные термоэлектрогенераторы. Существуют мощные установки, способные выдавать до сотен киловатт, однако их коэффициент полезного действия (КПД) обычно не превышает 15%. Несмотря на относительно невысокий КПД, эти генераторы нашли чрезвычайно широкое применение благодаря своим уникальным эксплуатационным качествам.

Преимущества и области применения

По сравнению с традиционными турбогенераторами и другими электромеханическими преобразователями, термоэлектрические генераторы обладают рядом существенных преимуществ: высокая надежность, простота в эксплуатации и полное отсутствие движущихся частей. Это делает их идеальными для автономного энергоснабжения удаленных и труднодоступных объектов. Сферы их использования разнообразны:

• Космическая отрасль: питание космических аппаратов.
• Морская и наземная навигация: обеспечение работы навигационных приборов, маяков, метеостанций.
• Телекоммуникации: питание ретрансляторов.
• Промышленность: станции катодной защиты от коррозии для магистральных нефте- и газопроводов.

Таким образом, термоэлектрические генераторы являются незаменимым решением для задач, где важны автономность, долговечность и минимальное обслуживание.