Термоэлектрические преобразователи как источник альтернативной энергии

На сегодняшний день основным способом производства электрической энергии является её выработка электрическим генератором, находящимся на одной оси с турбиной и преобразующим кинетическую энергию вращения турбины в электричество. В зависимости от вида рабочего агрегата, вращающего турбину электростанции, делятся на гидравлические и тепловые. Гидравлические электростанции производят электроэнергию от возобновляемого источника, использующая для производства электроэнергии кинетическую энергию водного потока. Тепловые электростанции получают электрическую энергию за счет превращения тепловой энергия сгорания органического топлива. При этом для получения электроэнергии используются дорогостоящие машины, требуется постоянный контроль и периодический ремонт. Эти машины превращают механическую энергию в электрическую. В свою очередь эта механическая энергия возникает за счет тепловой энергии и для того, чтобы превратить тепловую энергию в электрическую, осуществляется превращение А сначала в Б, а потом в В. Во время каждого перехода энергии из одного вида в другой неизбежно возникают потери энергии. Для снижения потерь нужно уменьшить количество переходов энергии из одного вида в другой. И по логике вещей устройство, осуществляющее непосредственный переход энергии типа А в энергию типа В, должно обладать максимальным к. п.д по сравнению с к. п.д устройств превращающих А сначала в Б, а потом в В. Отсутствие промежуточного звена (Б) означает уменьшение потерь, связанны с производством и промежуточного перехода А в Б.

Проблема превращении одного вида энергии в другой без промежуточных стадий таит в себе заманчивые перспективы. Одним из вариантов решения данной проблемы являются термоэлектрические генераторы. В несложном устройстве, состоящим из контактирующих друг с другом различных проводников, при нагревании одной системы спаев мы получаем электрическую энергию.

В 1821 году немецкий физик Зеебек открыл термоэлектрическое явление. Оно заключается в следующем. Если составить электрическую цепь из нескольких разнородных проводников, допустим трех, и затем места контактов проводников поддерживать при разных температурах то на их свободных концах появится термоэлектродвижущая сила. Замкнув эту цепь на миллиамперметр, мы обнаружим в ней электрический ток, который будет течь до тех пор, пока температуры спаев будут различны.

Величина термоэлектродвижущей силы ( E ) зависит от разности температур между горячим и холодным спаем и от термоэлектрических свойств ветвей цепи. Для металлических термопар Е может быть представлена следующей формулой:

Е=α * (Т ₂ — Т ₁ ),

где α — коэффициент термоэлектродвижущей силы равен разности потенциалов, возникающей при разности температур в один градус. Для большинства металлов значения α весьма невелика и в лучшем случае достигают нескольких десятков микровольт на градус (Таблица — 1).

Из самого определения коэффициента термоэлектродвижущей силы α становится ясно, что он характеризует термоэлектрические свойства термоэлемента, то есть такую разомкнутую электрическую цепь состоящей из двух ветвей. Коэффициент термоэлектродвижущей силы для каждого термоэлемента имеет свае значение и эти значения не равны друг другу. Более того, может случиться, что они даже различаются по знаку. При таком определении α необходимо всегда указывать те два материла, из которого сделан тот или иной термоэлемент. Это сопряжено с определенными неудобствами. Поэтому α всевозможных материалов измеряют по отношению к свинцу. Это означает, что одна из ветвей изготовлена из свинца.

Таблица 1

Для большинства полупроводников α является функцией температуры и резко зависит от их химического состава и количество введенных примесей. Следовательно, для получения возможно больших термоэлектродвижущих сил необходимо подобрать соответствующею « пару » так, чтобы при всех прочих равных условиях их суммарный коэффициент термоэлектродвижущей силы α _1,2 имел бы максимальное значение. Термоэлектродвижущая сила изменяется не пропорционально разности температур спаев ΔТ. Поэтому для характеристики термоэлектрических свойств какой-либо пары используют дифференциальную термоэлектродвижущая сила, возникающую при разности температур спаев в 1 °С:

Дифференциальную термоэлектродвижущую силу можно рассчитать по формуле Н. Л. Писаренко:

где k — постоянная Больцмана; е — заряд электрона; n и p — концентрация электронов и дырок; µn и µp — подвижность электронов и дырок; me* и mp* — эффективные массы электронов и дырок; h — постоянная Планка. В формуле учитывается вклад, вносимый в термоэлектродвижущая сила и электронами, и дырками.

Если n таких пар соединить друг с другом последовательно и все горячие спаи поддерживать при высокой температуре, а все «холодные» — при низкой, то общая термоэлектродвижущая сила такого термостолбика n раз больше, чем одной пары.

Для рассмотрения механизма возникновения термоэлектродвижущей силы на примере полупроводника. Представим, что имеется всего лишь одна полупроводниковая проволока. Если один конец нагреть, а другой охлаждать, то носители электричества (электроны или дырки) начнут диффундировать (перемешаться) из более горячей области полупроводника, где их концентрация, так и их кинетические энергии имеют большие значения чем, в области с пониженной температурой, где их концентрация энергии меньше. С другой стороны, происходит перемещение носителей тока и в обратном направлении — от холодного конца к горячему. В самом начале процесса, до момента установления динамического равновесия, число носителей, перемещающихся от горячего к холодному, больше, чем в обратном направлении. Это перемещение приводит к довольно быстрому возникновению избытка положительных зарядов на одном конце полупроводника и избытка отрицательных — на другом конце. Но возникновение объемных зарядов противоположного знака на концах проволоки влечет за собой возникновение внутреннего электрического поля. Следовательно, одновременно с увеличением числа зарядов возрастает и разность потенциалов между крайними точками полу проводника. Возрастающее электрическое поле будет замедлять диффузию зарядов от горячего конца к холодному, что в конце концов приведет к равновесию, а возникшая при этом разность потенциалов и будет термоэлектродвижущей силой. В этом процессе особенно четко провялятся дырочный и электронный механизм проводимости полупроводника. Горячий конец дырочного полупроводника заряжается отрицательно, а холодный конец — положительно, что соответствует диффузии дырок из горячей области в холодную. В электронном веществе наблюдается обратная картина: горячий конец заряжается положительно, а холодный — отрицательно, что соответствует диффузии электронов от горячего конца к холодному. Таким образом, знак и величина α зависят от механизма проводимости полупроводника. Если вещество обладает электронным механизмом проводимости, α имеет отрицательный знак, для дырочного вещества α имеет положительный знак.

Для смешанной или собственной проводимости знак и величина α определяется рядом факторов, среди которых главное значение имеют подвижность и концентрация носителей — дырок и электронов. Поэтому для смешенного полупроводника знак α может быть, как отрицательным, так и положительным, а величина α, как правило всегда бывает меньше, чем у полупроводника с одним механизмом проводимости. Иногда оно мало отличается от нуля. В отличие от металлов коэффициент термоэлектродвижущей силы α у полу проводника значительно больше и может достигать значений, превышающих 1000 µв/град.

Таблица 2.

Как видно из таблицы выше, даже термоэлектрические генераторы из полупроводниковых материалов обладают не очень высоким коэффициентом полезного действие что ограничивает их эффективность. Но на сегодняшний день активно ведутся исследования полупроводниковых материалов, обладающих термоэлектрическими свойствами, что, несомненно, приведет к получению полупроводниковых материалов с более высоким коэффициентом полезного действия. На сегодняшней день в кафедре «Технологии разработка электронных аппаратур» ведется работы над солнечным водонагревателем аккумуляционного типа, с интегрированным термоэлектрическим генератором, который позволит в момент возникновения стагнации преобразовывать излишнею тепловую энергию в электрическую, что позволит предотвратить возникновения стагнации и испарения теплоносителя. Преобразованную тепловую энергию можно накапливать в аккумуляторных батарейках для дальнейшего использования. При получении положительных результатов. Разрабатываемое устройство позволит вырабатывать тепловую энергии и превращать излишнюю в электрическую, что является несомненным плюсом и отличием данного устройства от других разработанных на сегодняшний день.

Литература:

1. «Системы генерирования электрической энергии с использованием возобновляемых энергоресурсов». С.Г Обухов. Издательство Томского политехнического университета 2008г. Стр — 40.
2. «Термоэлектрические преобразователи энергии». Л. И. Анатычук. Институт термоэлектричества Киев, Черновцы, 2003.
3. Modern Thermoelectrics D.M Rowe and C. M. Bhandari.
4. «Полупроводники» М. С. Соминский государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1961.