Termoelektrické generátory elektrické energie TEG
Materiál vypráví o principech činnosti termoelektrických generátorů a oblastech jejich použití.
Lví podíl elektřiny nyní vyrábějí tepelné elektrárny. Spalováním fosilního paliva se na stanicích uvádějí do pohybu turbíny elektrických generátorů pomocí mezinosiče tepla (přehřátá pára). Řetězec výroby energie je složitý, nebezpečný a drahý. Umožňuje však vytvářet výkonné jednotky pro výrobu elektrické energie s vysokou účinností (účinností).
Existuje alternativa pro snadnější přeměnu tepla na elektřinu? Fyzika říká, že ano. Technik říká: "Ještě ne." O tom, kdo má pravdu a jaké jsou potíže na cestě přeměny tepla na energii, je materiál tohoto článku. Metoda přímé přeměny tepla na elektrický proud je známá již od roku 1821, kdy byl objeven fenomén termoelektřiny, dnes známý jako Seebekovův jev.
Při zahřátí kontaktu dvou nepodobných kovů vzniká na koncích vodičů potenciálový rozdíl a při jejich uzavření začne obvodem protékat proud. Fyzici rychle pochopili, že velikost proudu přímo závisí na typu materiálů, teplotním rozdílu mezi studenými a horkými spoji kovu, tepelné vodivosti a odporu kovů. Velké teplotní rozdíly a vysoká vodivost zvyšují proud, zatímco vysoká tepelná vodivost účinek oslabuje.
Po dlouhých pokusech vytvořit termoelektrický generátor (TEG) využívající kovy, včetně ušlechtilých, bylo od této myšlenky upuštěno. Kovy mají nízký odpor, což umožňuje oddělit prostorový studený a horký spoj, ale vysoká tepelná vodivost a tím i tok tepla zvenčí snižují účinnost prvků. Výsledná účinnost prvků TEG vyrobených z kovů nepřesahuje 1-2 %. Efekt byl na dlouhou dobu zapomenut a spoje různých kovů se používaly pouze v měřicí technice. Jedná se o známé termočlánky pro měření teplot.
Dnes potomci prvního generátoru slouží geologům, turistům a prostě obyvatelům odlehlých oblastí.Výkon těchto generátorů je malý - od 2 do 20 wattů. Výkonnější (od 25 do 500 W) generátory se instalují na hlavní plynovody k elektrickému nářadí nebo katodové ochraně potrubí. Generátory o výkonu 1 kW nebo více zařízení pro meteorologické stanice, ale vyžadují vysokoteplotní zdroje tepla: například plyn.
Není mnoho co říci o exotických generátorech, které přeměňují teplo radioaktivního rozpadu přímo na elektřinu – příliš úzký rozsah a citlivé informace. Je známo pouze to, že jednotlivé satelity ve vesmíru jsou vybaveny takovými instalacemi pro nepřetržité napájení zařízení.
Jako příklad moderních výrobků uvažujme parametry termogenerátor typu B25-12... Jeho výstupní elektrický výkon je 25W při napětí 12V. Pracovní teplota horké zóny není vyšší než 400 stupňů, hmotnost je až 8,5 kg, cena je asi 15 000 rublů. Takové generátory (obvykle alespoň 2) se používají společně s plynovým kotlem pro vytápění.
Podle stejného principu výkonnější modely TEG s výkonem 200 wattů. V tandemu s plynovým kotlem pro vytápění chat a chalup poskytují elektřinu nejen pro automatizaci kotle a oběhového čerpadla vody, ale také pro domácí spotřebiče a osvětlení.
Navzdory své jednoduchosti a spolehlivosti (žádné pohyblivé části) nebyl TEG široce přijat. Důvodem je extrémně nízká účinnost, která ani u polovodičových materiálů nepřesahuje 5-7 %. Společnosti, které takové generátory vyvíjejí, je vyrábějí v malých sériích na zakázku. Nedostatek masové poptávky vede k vysokým cenám produktů.
Situace se může změnit s příchodem nových materiálů pro tepelné konvertory... Ale zatím se věda nemá čím chlubit: nejlepší vzorky TEG nedokázaly překonat 20% faktor účinnosti. Poněkud úsměvně v této situaci vypadají reklamní brožury TEG, kde je účinnost deklarována více než 90 %. Možná je čas, aby se vědci poučili od horlivých obchodníků?