Термоэлектричество в быту и на орбите

20.09.12 12:07

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) – устройства, непосредственно преобразующие тепловую энергию в электрическую. В основе их действия лежит эффект, открытый Томасом Зеебеком еще в 1820 году. Суть эффекта состоит в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых имеют разную температуру, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивается так же, как и в присутствии магнитного материала. Изначально автор назвал это явление термомагнетизмом, и только впоследствии открылось, что речь идет о возникновении электрического напряжения в спае двух проводников, имеющих разную температуру.

«Эффективность термоэлектрического преобразования теплового потока в электрическую энергию для наилучшего сочетания значений термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) рядов пар материалов, составленных самим первооткрывателем этого эффекта, могла достичь 2–3%, что значительно превосходило КПД паровых машин того времени», - пишет Петр Шостаковский, коммерческий директор компании «Криотерм» (г. Санкт-Петребург).

В последующие десятилетия были открыты еще два взаимосвязанных эффекта. Жан-Шарль Пельтье обнаружил прохождение электрического тока через спай разнородных проводников, один из них нагревается, а другой охлаждается. Затем Уильям Томсон (лорд Кельвин) доказал, что при прохождении электрического тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, в проводнике выделяется или поглощается тепло в зависимости от направления тока.

Однако открытиям Зеебека долгое время не находилось практического применения. Основоположником современной термоэлектрической энергетики стал советский физик А. Ф. Иоффе, работавший над проблемой с 30-х годов ХХ века. Именно ему удалось установить, что эффективность термоэлектрического преобразования существенно возрастет, если вместо металлов в спае использовать полупроводниковые материалы, термоЭДС которых значительно выше. Открытие легло в основу создания в 1942 году «партизанского котелка», питавшего радиостанции партизанских отрядов в годы Великой Отечественной войны.

На суше, на море и в космосе

«Исторически основными областями применения термоэлектрического генераторного эффекта были оборонная и аэрокосмическая отрасли, - рассказывает Петр Шостаковский. - Это, отчасти, определило второстепенную роль термоэлектричества в промышленной энергетике».

В Советском Союзе продолжились разработки генераторов, преобразующих тепловую энергию сжигаемого топлива, радиоактивного распада и солнечной радиации в электрическую. Устройства стали применяться в удаленных и труднодоступных точках земного шара – морские маяки, автоматические метеостанции, активные ретрансляторы и т.д. 

 

Автономный источник питания для КП телемеханики промышленных газопроводов (фото ООО «Экотехника»)

 

«ТЭГ получили широкое распространение в автономных источниках питания на контрольных пунктах телемеханики промышленных газопроводов, где источником тепла служит природный газ, - отмечает Евгений Ханин, технический директор ООО «Экотехника» (г. Москва). - КП телемеханики располагаются вдоль газопроводов через каждые 10-30 км и потребляют, как правило, несколько сотен Вт, так что строительство притрассовых ЛЭП, особенно в зонах с вечной мерзлотой, экономически не выгодно.

Также термоэлектрические генераторы применяются на сейсмостанциях, где недопустимы вибрации источника электропитания. Они стоят и на ряде спутников в качестве основного источника питания. Для аппаратов дальнего космоса ТЭГ, использующие тепло распада радиоизотопов, - безальтернативный вариант».

 

АИП на сейсмостанции в Киргизии (фото ООО «Экотехника»)

 

Возможно, в перспективе, термоэлектрические генераторы будут использовать на Луне и планетах Солнечной системы. Тот факт, что на ТЭГ полагаются даже в Космосе, лишний раз свидетельствует об их неоспоримых достоинствах. Одно из главных – полная автономность.

«Для ТЭГ характерна высокая надёжность, так как в них отсутствуют какие-либо движущиеся детали, - поясняет Сергей Фунин, директор ООО «Глобал Сервис» (представитель Global Thermoelectric (Канада)). - Среднестатистическое время профилактического обслуживания ТЭГ - 1-2 часа в год; срок эксплуатации без капитального ремонта не менее 20 лет с низким коэффициентом деградации выходной мощности (0,2% в год). Такие генераторы могут работать практически в любых климатических и погодных условиях, предельно просты в эксплуатации и обслуживании, а по площади занимают значительно меньше места, чем альтернативные источники электропитания».

Возможно, указанные цифры могут несколько отличаться у различных производителей, однако в целом характеристики остаются сходными, так как обусловлены самим принципом работы устройства.

Универсальность ТЭГ не только в том, что они работают в любой среде, но и в том, что могут использовать тепло практически от любых источников. К примеру, были попытки получить электричество за счет термальных вод на Дальнем Востоке, однако на практике это пока обходится слишком дорого.

Главным же недостатком термоэлектрических генераторов остается их сравнительно низкая эффективность. На сегодняшний день максимальный КПД преобразования энергии составляет порядка 8%. Отсюда очевидно, что основной путь для развития термоэлектрической генерации – поиск решений, повышающих эффективность ТЭГ. Чтобы приблизиться к пониманию этой задачи, разберемся, что представляет собой устройство.

 

Заглянем внутрь

«В упрощенном виде термоэлетрический генератор состоит из металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля (ТГМ) и охлаждающего радиатора, отводящего тепло и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур, - поясняет Петр Шостаковский. - ТГМ включает в себя разнородные полупроводниковые термоэлементы n- и p-типа, соединенные между собой последовательно и конструктивно размещённые между двух керамических пластин, т.е. по тепловому потоку все термопары включены параллельно. Если температура поверхностей модуля будет различной, то на выводах модуля появится разность потенциалов, а при подключении нагрузки начнёт протекать электрический ток и выделяться полезная мощность.

 

Основные блоки генератора Глобал (схема ООО «Глобал Сервис»)

 

Что можно усовершенствовать в таком устройстве? Слово нашим экспертам.

«Повышение эффективности ТЭГ в первую очередь связано с разработкой новых термоэлектрических материалов, в том числе наноструктурированных, - считает Евгений Ханин. – Другой путь - разработка новых конструкционных материалов, с обеспечением температуры термобатарей до 1000?С, что позволит повысить КПД до 18-20%».

Петр Шостаковский также отмечает, что для совершенствования ТЭГ необходимо дальнейшее повышение эффективности термоэлектрических материалов, применяемых в генераторных модулях. Кроме того, чтобы повысить коэффициент преобразования энергии, необходимо усовершенствовать конструкцию термоэлектрических элементов с учётом рабочих температур, оптимизировать конструкции модуля и узлов, обеспечивающих теплопередачу от источника тепла к генераторному модулю, а также радиаторов для передачи тепла в окружающую среду. Не последнюю роль, по его мнению, играет оптимизация электронных схем преобразования вырабатываемой электрической энергии (DC/DC конвертор) и её стабилизации.

«Впрочем, стоит отметить, - добавляет П. Шостаковский, - что в целом ряде случаев эффективность ТЭГ не имеет принципиального значения. Например, при утилизации отводимого от машин и механизмов тепла или в Energy Harvesting (накопление энергии) применениях».

 

Универсальный генератор Б4М выдает напряжение 12 В и мощность от 2 Вт  при установке на вертикальные поверхности с температурой 250°С (фото ООО «Криотерм»)

 

«Эффективность известных термогенераторных модулей зависит от разности температур их холодных и горячих пластин: при увеличении (уменьшении) этой разницы вдвое, мощность вырабатываемой электроэнергии увеличивается (уменьшается) в четыре раза, и соответственно изменяется КПД модуля - говорит Владимир Сальников, к.т.н., главный конструктор ООО «Системы СТК» (г. Пермь). – Соответственно, для получения большей мощности необходимо разработать ТГМ, выдерживающий больший нагрев. Но наиболее перспективными представляются термоэлектрические модули, напрямую преобразующие тепло в электричество при нулевой разности температур. Разработки подобных модулей уже запатентованы в РФ». 

 

Нано-будущее

Александр Фролов*, гендиректор ООО «Фарадей» (г. Тула) занимается проектом по созданию силового активного материала (САМ), который помимо прочих применений может лечь в основу технологии производства принципиально новых термоэлектрических генераторов.

«Суть идеи в том, чтобы обеспечить разное давление воздуха на пластину материала, одна сторона которой имеет микрорельеф, - поясняет А. Фролов, один из авторов разработки, - Размеры микрорельефа при атмосферном давлении должны быть в пределах 50-500 нм.

 

Наноматериал. Диаметр трубки 50-100 нм, длина трубок 1000 – 3000 нм (фото ООО «Фарадей»)

 

Молекулы воздуха всегда двигаются. На длине свободного пробега траектория каждой молекулы прямолинейна. Расстояние, которое пролетает молекула от точки столкновения со второй молекулой до точки столкновения с третьей молекулой, называется «длиной свободного пробега». При обычных размерах неровностей рельефа, которые намного больше длины свободного пробега, процесс движения и столкновений является хаотическим. В такой ситуации давление среды на обе поверхности пластины одинаковое, и суммарный импульс равен нулю.

Можно использовать предсказуемое прямолинейное движение молекул на коротких участках траектории, создав активный движитель, например, пластину материала, у которой одна сторона имеет поверхность с размерами элементов рельефа менее длины свободного пробега молекулы.

 

Давление воздуха на поверхность пластины, имеющей односторонний микрорельеф, будет отличаться с разных сторон (схема А. Фролова)

 

Молекулы малы, но их достаточно много. Для отбора кинетической энергии молекул газа, необходимо обеспечить взаимодействие каждой из них с некими упругими наноэлементами. Упругие деформации наноэлементов позволят преобразовать кинетическую энергию молекул в тепловую энергию, которая будет аккумулироваться веществом пластины. Соответственно, вещество наноэлементов, как и вся пластина, должны нагреваться.

С другой стороны пластины, кинетическая энергия молекул воздуха и давление среды остается таким же, как и ранее. Возникнет не только градиент температуры, но и перепад давления среды на пластину, что и обеспечит активную движущую силу, которая будет действовать вместо традиционной термоЭДС».

Пока проект в разработке, и его практическое применение - вопрос перспективы. А сегодня…

 

ТЭГ в российской промышленности

На сегодняшний день производителей термоэлектрических генераторов в нашей стране можно пересчитать по пальцам, причем большинство из них имеют солидную историю. Компания «Экотехника» возникла на базе занимающегося энергетическим обеспечением космических полетов ОАО «НПП «Квант» (в прошлом - «Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока»). Предприятие «Криотерм» основано на базе филиала ВНИИТ, а ОАО «Корпорация НПО «РИФ» (г. Воронеж) - на базе опытного завода микроэлектроники Министерства Промышленности и связи СССР. Из более молодых участников рынка можно назвать компанию «Системы СТК».

 

Генератор ГТГ-30-12(24) (фото ООО «Экотехника»)

 

ООО «Экотехника» с 1997 года выпускает ГТГ-150 для электропитания КП-телемеханики газопроводов. На их базе совместно с заводом «Саратовгазавтоматика» создан ряд автономных источников питания (АИП) мощностью от 150 до 1500 Вт - несколько сотен таких устройств работают на газовых магистралях страны. В настоящее время «Экотехника» совместно с предприятием «Криотерм» разработала термоэлектрические батареи, позволившие повысить мощность генератора до 200Вт с сохранением всех габаритных и установочных размеров генератора ГТГ-150. Два опытных образца генератора ГТЭГ 200 успешно прошли испытания.

Компания «Криотерм» серийно выпускает продукцию, которую условно можно поделить на три категории. Это генераторы для накопления энергии (Energy Harvesting), работающие при минимальных (от 5°С) перепадах температур, при этом температура источника тепла, как правило, не превышает +100°С. Вторая категория - генераторы, работающие от тепла сгорания органических продуктов (газ, дрова, бытовые отходы и др.) с температурой на теплораспределительной пластине источника тепла до +400°С. Как правило, выходная мощность термоэлектрических модулей в таких генераторах получается до 5Вт. И, наконец, генераторы мощностью до 40Вт имеют рабочие температуры источника тепла до +550°С.

Компания «Системы СТК» выпустила ТЭГ Over Energy L/L-24/12, который при включении в водопроводную сеть с горячей и холодной водой (при разнице температур между ними 80°С) обеспечивает мощность 12 Вт при выходном напряжении 24 В. Масса генератора не более 3,3 кг.

Сегодня «Системы СТК» ведут разработку ТЭГ для бесперебойной работы автоматической системы управления котлом при отключении внешнего источника энергии; автономного источника питания системы передачи данных с участков протекторной защиты газопроводов и ТЭГ для дублирования в зимних условиях солнечных батарей системы управления нефтяных скважин. В своих изделиях компания использует покупные термоэлектрические модули (они же элементы Пельтье), отдавая предпочтение российским производителям.

Представлена в России и зарубежная продукция. К примеру, канадские ТЭГ (Global Thermoelectric), работающие на природном газе или пропане и обеспечивающие питание устройств, потребляющих от 5 Вт до 5 кВт.

И все же отечественным производителям удается удерживать прочные позиции не только на внутреннем, но и на мировом рынке. В отношении ТЭГ Россия скорее экспортер, нежели импортер. Так, «Криотерм» имеет представительства в 19 странах, среди которых Германия, США, Япония.

 

Повседневная генерация

Стоит сказать, что открытие Зеебека может оказаться полезными не только конструкторам космических кораблей или нефтяникам, но и рядовым потребителям. Вспомним легендарный «партизанский котелок». Сегодняшние туристы могут приобрести подобное устройство. Пока в котелке, подвешенном над костром, кипит вода, будут подзаряжаться аккумуляторы сотового телефона, навигатора, фотоаппарата, фонарика, от такого генератора можно запитать небольшой телевизор или ноутбук и наслаждаться достижениями цивилизации в самых диких местах.

На просторах Интернета можно даже обнаружить инструкцию, объясняющую как сконструировать подобный котелок самостоятельно, используя пару металлических, входящих друг в друга посудин, нехитрый набор радиодеталей и элемент Пельтье. В редакции мы этой инструкцией так и не воспользовались, поэтому утверждать, что схема работоспособная, не беремся.

ТЭГ могут питать маломощных потребителей энергии не только в походных, но и в повседневных условиях – все больше говорят об их применении в современных мобильных электронных устройствах – телефонах, компьютерах и т.д. Поскольку речь идет о небольших мощностях, то и стоимость таких устройств - вполне приемлемая, к тому же часто в них используются недорогие материалы юго-восточных производителей.

Ну и, собственно, почему бы не поставить ТЭГ на котел, отапливающий коттедж? Тепло все равно выделяется, а термоэлектрический генератор позволит обеспечить питанием автоматику котла, фактически превратив его из энергозависимого в энергонезависимый (от внешнего питания).

 

Генератор в перспективе

Тем не менее, частные потребители не способны обеспечить полноценный рынок сбыта производителям, по крайней мере, на сегодняшний день. Так небольшие фирмы пыталась выпускать генерирующие электричество котелки, однако достичь прибыльности так и не смогли.

«Подобные устройства востребованы в единичных экземплярах, а для производителя это не выгодно, слишком большие накладные расходы на производство», - считает Евгений Ханин. Перспективы развития рынка эксперт связывает в первую очередь все же с промышленным применением:

«Использование новых технологий получения полупроводниковых материалов и изготовления термобатарей повысит их срок службы до 25 лет и более, - говорит он. - Конечно, это будет способствовать развитию рынка ТЭГ. Следует ждать их более широкого применения по мере освоения северных районов России (автоматические метеостанции, радиомаяки и т.д.). Могло бы расширяться и бытовое применение ТЭГ в тех районах, где отсутствует централизованное электроснабжение. Однако учитывая низкодоходность населения этих районов, без государственной поддержки это нереально. При этом нужно понимать, что термоэнергетика не может быть альтернативой традиционной «большой» энергетике».

 

Опытный образец генератора ГТЭГ 200 (Фото ООО «Экотехника»)

 

«Перспективы развития ТЭГ в РФ определяются в основном двумя факторами – огромные территории, на которых нет источников электроэнергии, а также слабое использование возможностей термоэлектрической генерации. Мало используется энергия природных тепловых источников, практически не применяются технологии для утилизации тепла промышленных предприятий и транспортных средств для выработки электроэнергии, – высказывает свою точку зрения Владимир Сальников. - Очевидно, что потребность в ТЭГ достаточно большая. Однако их массовому распространению препятствуют высокие цены отечественных производителей термоэлектрических модулей и проблемы финансирования разработок».

Петр Шостаковский считает, что производители должны сами вкладывать средства и усилия в популяризацию данной технологии, её внедрение в промышленных применениях. «Потребуется время на прохождение эксплуатационных испытаний генераторов у новых промышленных заказчиков, зато потом рынок будет развиваться значительно быстрее», - говорит он.

Остается надеяться, что нашей стране, первой создавшей и внедрившей технологию прямого получения электрической энергии из тепловой, удастся остаться в числе лидеров рынка ТЭГ. И это станет определенным шагом в освоении использования возобновляемых источников энергии.

 

Кира Патракова

* Если вас заинтересовала разработка Александра Фролова, вы можете связаться с ним по тел. (920) 794-44-48

На первой фотографии - сборка АИП-1500 в Саратове (фото ООО «Экотехника»)

Читайте также: