Модули Пельтье в генераторах электрического тока

Введение

Стабильное энергопитание является важным условием успешной работы современных технологий и промышленных процессов. В своих лабораториях исследователи и инженеры постоянно создают новые и улучшают существующие методы и устройства генерации электрической энергии. Среди них, например, генераторы, чью основу составляют термоэлектрические модули, обеспечивающие преобразование тепла в электричество. Такие устройства и компоненты привлекают внимание конструкторов благодаря своим уникальным свойствам и потенциалу в генерации электричества.

В этой статье мы еще раз рассмотрим принцип работы модулей Пельтье, возможность их использования в холодильниках и в термоэлектрогенераторах, осуществляющих прямое преобразование тепловой энергии в энергию электрическую. Будут описаны преимущества модулей, некоторые их технические параметры, а также примеры применения модулей Пельтье в различных генераторах электрического тока. При этом проанализируем космические генераторы, различные источники тепла для генерации тока, радиоактивные источники тепла, зависимость эффективности преобразования от разности температур и генерацию тепла радиоактивными изотопами.

Принцип работы термоэлектрических модулей

Работа термоэлектрических модулей, которые традиционно и, как будет ясно из последующего текста, не совсем корректно называются модулями Пельтье, основана на ряде электрических и тепловых эффектов. Они возникают в соединениях некоторых разнородных проводников, а также в соединениях полупроводников. Со времени открытия этих эффектов с ними связывают имена таких известных ученых XIX века, как Ж. Ш. Пельтье и Т. И. Зеебек.

Жан Шарль Пельтье

Томас Иоганн Зеебек 

Эффект Пельтье был открыт в далеком 1834 году французским исследователем Жаном Шарлем Пельтье (Jean-Charles Athanase Peltier, 1785–1845), в дальнейшем данный эффект был детально изучен российским физиком немецкого происхождения, академиком СПбАН Эмилием Христиановичем Ленцем (Heinrich Friedrich Emil Lenz, 1804–1865). Суть открытого эффекта заключается в переносе энергии при прохождении электрического тока через разнородные проводники. Это проявляется как выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. С целью усиления данного термоэлектрического эффекта указанные проводники объединяют в массивы.

В XX веке эффект Пельтье был открыт и для случая полупроводников, где его проявление по сравнению с применявшимися тогда материалами оказалось более сильным. Как результат, в настоящее время термоэлектрический модуль — это в большинстве случаев уже не массив биметаллических соединений, а набор специальных полупроводниковых термоэлектрических элементов.

А теперь немного о теории возникновения данного термоэлектрического явления. Как установлено, на контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создает внутреннее контактное поле. Если через область соединения разнородных проводников протекает электрический ток, то поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идет против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведет к его нагреву. Если же ток идет по направлению контактного поля, он может поддерживаться полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Как уже отмечалось, эффект становится значительно заметнее при объединении элементов в массивы, формирующих модули. Таким образом, каждый модуль состоит из наборов термоэлектрических пар, соединенных между собой параллельно или последовательно и расположенных между двумя теперь обычно керамическими пластинами. При прохождении электрического тока через такой термоэлектрический модуль одна его сторона нагревается, а другая охлаждается. Это происходит из-за того, что электрический ток вызывает перенос тепла от одной стороны модуля к другой.

Подобные средства успешно применяются в различных областях науки и техники, где возникает необходимость в компактных и высоконадежных устройствах охлаждения.

Что интересно, указанный термоэлектрический эффект является обратимым. Это означает, что описанные термоэлектрические модули можно использовать не только в холодильниках, но и в генераторах электрического тока, конвертируя тепловую энергию в электрическую. К слову сказать, возможность такой конвертации была выявлена еще до работ Пельтье. Приоритет принадлежит немецкому физику Томасу Иоганну Зеебеку (Thomas Johann Seebeck, 1770–1831). Данный эффект был открыт им в 1821 году, то есть на 13 лет раньше эффекта Пельтье, а результаты исследования были опубликованы Т. И. Зеебеком в 1822-м в форме статьи в докладах Прусской академии наук. Учитывая приоритет, следовало бы термоэлектрические модули назвать именем данного исследователя — первооткрывателя термоэлектрического эффекта, кстати, обладающего свойством обратимости. Однако за модулями закрепилось наименование «модули Пельтье», и это уже стало общепринятой традицией. По всей видимости, данное наименование сохранится и в будущем.

Возвращаясь же к самому эффекту преобразования тепловой энергии в электрическую, следует отметить, что величина термо-ЭДС для применяемых в настоящее время материалов составляет всего-навсего единицы милливольт на 100 °С разности температур разнородных проводников. Установлено, что термоэлектрическими свойствами обладают металлы и их соединения: оксиды, сульфиды, селениды, теллуриды, фосфиды, карбиды и др. Термоэлектрические свойства обнаружены также у сплавов металлов, сплавов соединений металлов и у интерметаллических соединений. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик и насчитывает тысячи сплавов и соединений. Они обеспечивают разные значения термо-ЭДС. Например, пара медь-константан дает 4,28 мВ/100 °С. А вот тысяча таких пар — это уже 4,28 В. Очевидно, что еще большее число пар обеспечит соответствующее увеличение значения ЭДС. Комбинируя последовательные и параллельные соединения термопар, можно на выходе генератора получить требуемые значения напряжения и тока.

Упрощенная схема термоэлектрогенератора с биметаллическим модулем 

Остается добавить, что эффект Зеебека, как и эффект Пельтье, выявлен и в случае использования полупроводников. В 1929 году академик А. Ф. Иоффе предложил применять в термоэлементах вместо металлических проводников полупроводниковые материалы, обладающие высокой термоэлектродвижущей силой — в 40–50 раз большей, чем в металлах. Таким образом, проявление эффекта Зеебека в полупроводниках оказалось более сильным по сравнению, например, с известными биметаллами. Вот почему в настоящее время в термоэлектрогенераторах чаще всего применяются именно полупроводниковые термоэлектрические материалы. Они обеспечивают наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. К слову, на просторах Интернета есть немало статей, в которых описаны эксперименты по использованию относительно недорогих серийных полупроводниковых модулей Пельтье для генерации электроэнергии. Результаты зависят от моделей модулей и разности температур их горячих и холодных сторон.

Например, как показали результаты использования модулей TEC1-12709, при разности температур горячей и холодной сторон 100 °С выходная мощность термоэлектрогенератора с одним таким модулем составила 2 Вт, а при 140 °С — около 3 Вт. Применение нескольких термоэлектрических модулей позволяет соответствующим образом увеличить суммарную выходную мощность термоэлектрогенераторов.

При конструировании и использовании подобных устройств, обеспечивающих конвертацию тепла в электроэнергию, необходимо учитывать сильную зависимость выходного напряжения от тока, потребляемого нагрузкой, а также зависимость выходных параметров от колебаний нагрева/охлаждения сторон термоэлектрических модулей. Поэтому целесообразно совместно с термоэлектрогенераторами использовать соответствующие электронные схемы, обеспечивающие на выходе преобразование и стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии.

Упрощенная схема термоэлектрогенератора с полупроводниковым модулем 

Таким образом, термоэлектрические модули, биметаллические и полупроводниковые, могут успешно преобразовывать разницу в температуре в электрическую энергию.

Преимущества термоэлектрических модулей в генерации электрического тока

Основное преимущество использования термоэлектрических модулей для генерации электричества — их способность прямо преобразовывать тепло в электричество. В отличие от большинства альтернативных вариантов источники электроэнергии с указанными модулями работают без тепловых носителей, двигателей, компрессоров и т. п. Отсутствие каких-либо механических подвижных частей положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках. Генераторы с термоэлектрическими модулями обладают высокой надежностью и долговечностью, устойчивы к вибрациям и ударным нагрузкам. Они компактны, бесшумны и не требуют обслуживания. Все это делает такие изделия очень привлекательными для использования в различных, часто весьма непростых условиях эксплуатации. 

­

Термоэлектрогенератор ТГК-3 (СССР, 1953 г.)

А еще термоэлектрические модули в своей работе не используют вредные газы или жидкости. Это означает, что они экологически безопасны и могут применяться в экологически чувствительных областях.

Термоэлектрические модули отличаются относительно невысокой степенью преобразования тепла в электричество. Их коэффициент преобразования обычно находится в диапазоне 1–10%, в зависимости от конкретных параметров модулей и условий работы.

Полупроводниковые модули потребительского класса обычно способны производить 0,5–1,5 В на модуль при разнице температур в 50–80 °С. При этом средняя мощность, которую можно получить от одного модуля, как правило, составляет от нескольких десятков милливатт до единиц ватт. Однако некоторые крупные модели, содержащие сотни термопар, могут генерировать большую мощность.

Полупроводниковые модули могут успешно работать с разницей в температуре от 50 °C до 150 °C. Предельный нагрев определяется типом полупроводников, а также сплавами и припоями, используемыми в модулях.

Допустимый температурный диапазон работы биметаллических конструкций генерации электричества по сравнению с полупроводниковыми моделями обычно значительно шире и может достигать 1000 °C. Работа модулей при большой разнице температур позволяет достичь высокой эффективности преобразования, а при большом количестве термопар получить значительную выходную мощность.

Все это позволяет использовать термоэлектрические модули, биметаллические и полупроводниковые, в широком диапазоне приложений, где есть значительная разница в температуре между горячими и холодными областями.

Очевидно, что высокий коэффициент преобразования тепла в электричество является главной характеристикой для достижения наилучшей энергоэффективности. Он в значительной степени определяет показатели эксплуатационной и экономической эффективности. При этом чем больше разность температур, тем выше эффективность преобразования. Например, при разнице температур 100 °C эффективность преобразования может составлять 3–5%. А некоторые современные термоэлектрические модули могут достигать даже коэффициента преобразования в 10%. Однако опубликованы работы, в которых для определенных материалов и температурных режимов значение коэффициента преобразования составляет 16%. Некоторые исследователи, например, специалисты Сколково, предсказывают возможность покорения рубежа в 20% уже в ближайшие годы.

Остается добавить, что серийные термоэлектрогенераторы имеют различные выходные рабочие напряжения и токи. Это зависит от числа используемых модулей, их конструкции, типа и количества элементов, используемых в модулях. В конечном итоге все это определяет технические параметры источника электрической энергии. Мощность же некоторых моделей достигает сотен ватт, хотя есть варианты термоэлектрогенераторов и киловаттных уровней.

Области использования термоэлектрических модулей

В качестве распространенных вариантов использования термоэлектрических модулей в генераторах электрического тока можно привести примеры, где источником энергии является тепло разных уровней интенсивности и сроков работы.

Космические генераторы

В космических аппаратах и спутниках, где доступ к солнечной энергии ограничен, термоэлектрические модули могут применяться для генерации электрического тока из отходящего тепла электронных устройств, двигателей ракет и энергоемких механизмов. Работа таких объектов нередко сопровождается значительным теплообразованием, и соответствующие генераторы позволяют обеспечить надежное энергоснабжение в космической среде. Например, при использовании термоэлектрических модулей в космических генераторах можно достичь выходной мощности 100 Вт и даже больше. Конечно, эффективность преобразования тепла в электричество с помощью термоэлектрических модулей зависит от разности температур между горячими и холодными сторонами модулей. Чем больше разность температур, тем выше эффективность преобразования, но немного подробнее об этом ниже.

Рециркуляция отходящего тепла в промышленности

В промышленности термоэлектрические модули могут быть использованы для рециркуляции отходящего тепла и преобразования его в электрическую энергию. Это позволяет повысить энергоэффективность процессов и снизить общие затраты на энергию. Эффективность термоэлектрических модулей в данном случае также зависит от разности температур между горячими и холодными сторонами модулей.

Автомобильная промышленность

Термоэлектрические модули могут использоваться для генерации электроэнергии из тепла двигателя, помогая тем самым улучшить общую энергоэффективность автомобиля. Некоторые автопроизводители уже начали внедрять такие системы в свои модели.

Портативная электроника

Небольшие термоэлектрические модули могут находить применение в таких устройствах, как кемпинговые плиты, которые генерируют электричество для зарядки мобильных телефонов или других устройств от тепла костра.

Генерация тепла радиоактивными изотопами

Радиоактивные материалы, в том числе радиоизотопы, могут служить в качестве источников тепла, используемого для генерации электрического тока с помощью термоэлектрических модулей. В этих системах радиоактивный материал выделяет тепло в результате радиоактивного распада своих ядерных элементов. Тепло передается модулю, преобразующему его в электрическую энергию.

Один из примеров такой технологии — термоэлектрические генераторы радиоизотопных батарей (RTG). Они широко распространены в космической технологии для длительного обеспечения электрического питания космических аппаратов и зондов, работающих в удаленных и долговременных миссиях, где солнечная энергия не является эффективным источником энергии. В RTG часто используют плутоний-238 (Pu-238) в качестве радиоактивного источника тепла. При этом плутониевая начинка RTG генерирует тепло, а входящие в конструкцию устройства термоэлектрические модули преобразовывают его в электрическую энергию. Примерами такого применения являются RTG на аппарате «Кассини», исследовавшем Сатурн и его спутники, а также на космических аппаратах, исследующих Марс.

В качестве примера таких источников можно привести РИТЭГ — РадиоИзотопный ТермоЭлектрический Генератор — устройство, преобразующее тепловую энергию естественного распада радиоактивных изотопов в электричество. По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГи значительно меньше и конструктивно проще. Выходная мощность РИТЭГа весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при относительно небольшом КПД. Однако в них нет движущихся частей, и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями. Благодаря этому такие генераторы могут применяться в космосе для работы автоматических межпланетных станций или на Земле в труднодоступных местах для работы различной аппаратуры, например, радиомаяков наземного или морского базирования.

Внутреннее устройство РИТЭГа

Другой пример — радиоактивные изотопные термоэлектрические генераторы (RTGs), используемые во множестве приложений, включая медицинские устройства и научные исследования. RTGs могут использовать различные радиоизотопы, такие как америций-241 (Am-241) или стронций-90 (Sr-90), в качестве источников тепла для преобразования его в электрическую энергию с помощью термоэлектрических модулей.

Радиоактивные источники тепла имеют ряд преимуществ, в том числе высокую плотность энергии и длительный срок службы. Генерация тепла радиоактивными изотопами с использованием указанных модулей обеспечивает постоянное и стабильное электрическое питание в удаленных и экстремальных условиях, где другие источники энергии могут быть недоступны или неэффективны. Однако необходимы специальные меры безопасности и контроля для обработки и применения радиоактивных материалов, включая эксплуатацию и последующую утилизацию после исчерпания ресурса работы генераторов. Необходимо предусматривать меры, обеспечивающие предотвращение потенциальных рисков для окружающей среды и здоровья людей. 

Заключение

Биметаллические и полупроводниковые термоэлектрические модули представляют собой перспективную технологию в области генерации электрического тока. Их высокая эффективность, надежность и экологическая чистота делают их привлекательными для различных приложений. При правильной оптимизации работы с учетом разности температур и других параметров, описанные модули позволяют повысить энергоэффективность, устойчивость и инновационность систем электрогенерации. Это открывает новые возможности для использования отходящего тепла, солнечной энергии, тепловых источников и радиоактивных материалов в качестве источников тепла для генерации электрического тока.