Lämpösähköinen generaattori

Termosähköinen generaattori on tekninen laite ( sähkögeneraattori ), joka on suunniteltu muuttamaan lämpöenergia suoraan sähköksi käyttämällä sen suunnittelussa lämpöelementtejä (lämpösähköisiä materiaaleja) .

Lämpösähköisten generaattoreiden keksinnön historia

Vuonna 1821 saksalainen fyysikko Thomas Johann Seebeck havaitsi, että kahden erilaisen johtimen välille muodostuva lämpötilagradientti voi tuottaa sähköä. Vuonna 1822 hän julkaisi kokeidensa tulokset artikkelissa "Kysymystä tiettyjen metallien ja malmien magneettisesta polarisaatiosta, joka syntyy lämpötilaeron olosuhteissa", joka julkaistiin Preussin tiedeakatemian raporteissa. [1] Termosähköinen Seebeck - ilmiö perustuu siihen tosiasiaan, että lämpötilagradientti johtavassa materiaalissa aiheuttaa lämmön virtausta; tämä johtaa varauksenkuljettajien siirtymiseen. Varauksenkuljettajien virtaus kuuman ja kylmän alueen välillä puolestaan luo potentiaalieron.

Vuonna 1834 Jean-Charles Peltier havaitsi käänteisen vaikutuksen , jossa lämpöä vapautuu tai imeytyy, kun sähkövirta kulkee kahden erilaisen johtimen kosketuksen läpi. [2]

Käytettyjen lämpögeneraattoreiden tyypit

Polttoaine: polttoaineen palamisesta syntyvä lämpö ( maakaasu , öljy , kivihiili ) ja lämpö pyroteknisten koostumusten palamisesta (takti).
Radioisotoopit : lämpö isotooppien hajoamisesta (hajoamista ei valvota ja työn määrää puoliintumisaika ).
Ydinvoima: ydinreaktorin lämpö ( uraani-233 , uraani-235 , plutonium-238 , torium ), yleensä tässä lämpösähköinen generaattori on muuntamisen toinen ja kolmas vaihe.
Aurinko: aurinkokeräinten lämpöä (peilit, linssit, lämpöputket).

Käyttö: Lämpöä mistä tahansa hukkalämpöä vapauttavista lähteistä (pako- ja uunikaasut, kerosiinilamppujen lämpö jne.).
Gradientti : perustuu luonnolliseen lämpötilaeroon ympäristön ja huoneen välillä (laitteet, prosessiputket lämpimällä kuljetettavalla väliaineella jne.) käyttämällä alkusyöttövirtaa. Tämän tyyppiset lämpösähköiset generaattorit perustuvat osan Seebeck-ilmiöstä vastaanotetusta sähköenergiasta muuntamiseen lämpöenergiaksi Joule-Lenzin lain mukaisesti .
Termosifoni: maan tai veden luonnollisen lämmön käyttö negatiivisten ulkolämpötilojen tapauksessa. Maan lämpöenergia johdetaan kaivoon asennetun termosyfonin kautta lämpösähkögeneraattoriin, joka on varustettu ilmaripapatterilla. Lämpötilaerosta johtuen syntyy sähköenergiaa.

Puolijohdemateriaalit suoraa energian muuntamista varten

Termosähköisissä generaattoreissa käytetään puolijohdetermosähköisiä materiaaleja, jotka tarjoavat suurimman lämmön muuntumiskertoimen sähköksi. Luettelo aineista, joilla on lämpösähköisiä ominaisuuksia, on melko laaja (tuhansia seoksia ja yhdisteitä), mutta vain muutamaa niistä voidaan käyttää lämpöenergian muuntamiseen. [3] Nykyaikainen tiede etsii jatkuvasti uusia ja uusia puolijohdekoostumuksia, ja edistystä tällä alalla ei niinkään tarjoa teoria kuin käytäntö, mikä johtuu lämpösähköisissä materiaaleissa esiintyvien fysikaalisten prosessien monimutkaisuudesta. Voidaan ehdottomasti sanoa, että nykyään ei ole olemassa lämpösähköistä materiaalia, joka tyydyttäisi teollisuutta täysin ominaisuuksillaan, ja tärkein työkalu tällaisen materiaalin luomisessa on kokeilu. Lämpösähköisten generaattoreiden puolijohdemateriaalin tärkeimmät ominaisuudet ovat:

Tehokkuus: Suurin mahdollinen tehokkuus on toivottavaa;
Valmistettavuus: Mahdollisuus kaikenlaiseen käsittelyyn;
Kustannukset: Mieluiten harvinaisten alkuaineiden puuttuminen koostumuksesta tai niiden pienempi määrä, riittävä raaka-ainepohja (assimilaatio- ja saavutettavuusalueiden laajentamiseksi);
Lämpö-EMF-kerroin: Mahdollisimman korkea lämpö-EMF-kerroin on toivottava (suunnittelun yksinkertaistamiseksi);
Myrkyllisyys: Myrkyllisten alkuaineiden (esimerkiksi: lyijy , vismutti , telluuri , seleeni ) puuttuminen tai pieni pitoisuus tai niiden inertti tila (osana metalliseoksia) on toivottavaa;
Käyttölämpötilat: Toivotaan mahdollisimman laajaa lämpötila-aluetta korkeapotentiaalisen lämmön hyödyntämiseksi ja siten muunnetun lämpötehon lisäämiseksi.

Kehittämisen ja tehokkuuden lisäämisen tapoja

Tehokas lämpösähköinen materiaali : Muunnostehokkuus, lämpö-EMF, sitkeys, ohutkalvorakenne.
Tehokas ja lämmönvaihdinyhteensopiva nestemäinen metallijäähdytysneste .
Laadukkaan keramiikan käytön laajentaminen TEG-suunnittelussa.
Eri sovelluksiin sovitettujen yksiköiden yhdistäminen.
TEG:ien energiatiheyden lopullinen lisäys autojen ja lentokoneiden moottoreiden tasolle ja sitä korkeammalle.

Erilaisten lämpösähköisten generaattoreiden ja niiden komponenttien hyötysuhde [4] :

Termosähköisten generaattorien tyypit ja generaattoriyksiköiden pääkomponentit	1965	1970	1975	1980	Carnot.
Aurinkoenergia ilman keskittymistä	0.8	0,85	0.9	0,92	0,96
Aurinkoenergia keskittymällä	0,65	0.7	0,75	0.8	0.9
Kaasupolttimet	0.5	0.6	0,65	0.7	0.8
Kaasuuunit	0,75	0.8	0,85	0.9	0,92
isotoopit	0.8	0,85	0.9	0,95	1.00
Ydinreaktorit	0,75	0.8	0,85	0,95	1.00
Matalalämpötilaiset termosähköiset materiaalit	0,06	0,08	0.1	0.12	0.5
Keskilämpötilaiset lämpösähköiset materiaalit	0,04	0,06	0,08	0.1	0,35
Korkean lämpötilan lämpösähköiset materiaalit	0,04	0,05	0,06	0,07	0,23
Kaskaditermoparit _	0.12	0.14	0,18	0,20	0,77
Vaihteleva lämpöpaalu	0.9	0,93	0,95	0,98	0,99
Lämpöeristys	0.9	0,92	0,95	0,97	1.00
Lämpökontakti	0.9	0,93	0,95	0,97	0,99
jäähdytysnestettä	0.9	0,92	0,93	0,94	0,98
Maajäähdytysrivat		0,55	0.6
Tilan jäähdytysrivat		0.8	0,85
Aurinkotilan lämpösähkögeneraattori ilman rikastajaa	0,016	0,025	0,035	0,045	0.16
Aurinkotilan lämpösähköinen generaattori rikastimella	0,017	0,029	0,043	0,061	0,25
Aurinkosähköinen maalämpögeneraattori rikastimella	0,029	0,044	0,088	0,145	0,59
Kaasutermosähköinen generaattori ripoilla	0,013	0,023	0,030	0,043	0,20
Kaasutermosähköinen generaattori lämmönsiirrolla	0,02	0,035	0,073	0,175	0,57
Radioisotooppitermosähköinen generaattori rivoilla	0,021	0,032	0,049	0.12	0,36
Radioisotooppitermosähköinen generaattori jäähdytysnesteellä	0,032	0,075	0,129	0,24	0,71
Reaktoritilan lämpösähkögeneraattori	0,016	0,023	0,044	0,113	0,36
Reaktorin maadoitettu lämpösähkögeneraattori	0,03	0,047	0,121	0,24	0,71
Höyrykattilan tyyppinen lämpösähkögeneraattori				0,226	0,66

Huomautus: Carnot-kerroin = 1 vastaa 100 %.

Taulukosta on havaittavissa merkittävä tehokkuuden kasvu, mikä johtuu pääasiassa materiaalien valmistustekniikoiden perusteellisesta parantamisesta, rakenteiden järkevästä toteutuksesta ja materiaalitieteen kehityksestä lämpösähkön alalla .

Termosähköisten generaattoreiden käyttöalueet

Radioisotooppitermosähköisiä generaattoreita käytetään avaruusalusten virtalähteinä, jotka on suunniteltu tutkimaan aurinkokunnan alueita, jotka ovat kaukana Auringosta. Erityisesti tällaisia generaattoreita, jotka käyttävät plutoniumpolttoaine-elementtien lämpöä, asennetaan Cassini- ja New Horizons -avaruusaluksiin. Aiemmin tällaisia laitteita käytettiin maan päällä myös navigointimajakoissa, radiomajakoissa, sääasemissa ja vastaavissa laitteissa, jotka asennettiin alueille, joissa ei teknisistä tai taloudellisista syistä ole mahdollista käyttää muita virtalähteitä.

Viime vuosina lämpösähkögeneraattoreita on käytetty autotekniikassa lämpöenergian talteenottoon, esimerkiksi lämmön talteenottoon pakojärjestelmän elementeistä.

Kirjallisuus

MHD - generaattorit ja lämpösähkövoimatekniikka . Kiova. " Tieteellinen ajatus ". 1983.
Pozdnyakov B. S., Koptelov E. A. Lämpösähköinen energiatekniikka . Moskova: Atomizdat , 1974, 264 s.
Kerosiinilämpögeneraattori // Kotitalouden lyhyt tietosanakirja. - M .: Neuvostoliiton tietosanakirja , 1959.

Muistiinpanot

↑ Lämpösähkö, Peltier-ilmiö, Seebeck-ilmiö (pääsemätön linkki)
↑ Peltier. [ [1] Google Booksissa Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (Uusia kokeita sähkövirtojen lämpövaikutuksista)] (fr.) // Annales de Chimie et de Physique :lehti. - 1834. - Voi. 56 . - s. 371-386 .
↑ Anatychuk L.I. , Bulat L.P. Puolijohteet äärimmäisissä lämpötiloissa. - Pietari, Nauka, 2001. - Levikki 1500 kpl. - c. 179
↑ MHD-generaattorit ja lämpösähkövoimatekniikka. Kiova. "Tieteen ajatus", 1983.

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Hienoa norjalaista Britannica (verkossa) Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	J9U : 987007534159305171 LCCN : sh85134789