Termoelektrični generatorji električne energije TEG
Gradivo govori o načelih delovanja termoelektričnih generatorjev in njihovih področjih uporabe.
Levji delež električne energije zdaj proizvedejo termoelektrarne. S kurjenjem fosilnih goriv se na postajah s pomočjo vmesnega nosilca toplote (pregreta para) poganjajo turbine električnih generatorjev. Veriga proizvodnje energije je kompleksna, nevarna in draga. Vendar vam omogoča ustvarjanje močnih enot za proizvodnjo električne energije z visoko učinkovitostjo (učinkovitost).
Ali obstaja alternativa za lažjo pretvorbo toplote v elektriko? Fizika pravi da. Tehnik pravi: "Ne še." O tem, kdo ima prav in kakšne so težave na poti pretvorbe toplote v energijo, gradivo tega članka. Metoda neposredne pretvorbe toplote v električni tok je znana že od leta 1821, ko so odkrili pojav termoelektrike, ki ga danes poznamo kot Seebekov efekt.
Ko se stik dveh različnih kovin segreje, nastane na koncih žic potencialna razlika in ko se skleneta, začne po vezju teči tok. Fiziki so hitro ugotovili, da je velikost toka neposredno odvisna od vrste materialov, temperaturne razlike med hladnim in vročim stikom kovine, toplotne prevodnosti in odpornosti kovin. Velike temperaturne razlike in visoka prevodnost povečata tok, visoka toplotna prevodnost pa učinek oslabi.
Po dolgih poskusih ustvarjanja termoelektričnega generatorja (TEG) z uporabo kovin, vključno s plemenitimi, je bila ta ideja opuščena. Kovine imajo nizek upor, kar omogoča prostorsko ločevanje hladnega in vročega stika, vendar visoka toplotna prevodnost in s tem pretok toplote od zunaj zmanjšujeta učinkovitost elementov. Končni izkoristek TEG elementov iz kovin ne presega 1-2 %. Učinek je bil dolgo pozabljen in spoji različnih kovin so bili uporabljeni le v merilni tehniki. To so znani termoelementi za merjenje temperatur.
Danes potomci prvega generatorja služijo geologom, turistom in preprosto prebivalcem oddaljenih območij.Moč takih generatorjev je majhna - od 2 do 20 vatov. Močnejši (od 25 do 500 W) generatorji so nameščeni na magistralnih plinovodih do električnih orodij ali katodne zaščite cevi. Generatorji z močjo 1 kW ali več opreme za vremensko postajo, vendar zahtevajo visokotemperaturne vire toplote: na primer plin.
O eksotičnih generatorjih, ki pretvarjajo toploto radioaktivnega razpada neposredno v elektriko, ni kaj dosti povedati – preozek obseg in občutljive informacije. Znano je le, da so posamezni sateliti v vesolju opremljeni s takimi napravami za neprekinjeno napajanje opreme.
Kot primer sodobnih izdelkov upoštevajte parametre termogeneratorja tipa B25-12 ... Njegova izhodna električna moč je 25 W pri napetosti 12 V. Delovna temperatura vročega območja ni večja od 400 stopinj, teža je do 8,5 kg, cena je približno 15.000 rubljev. Takšni generatorji (običajno vsaj 2) se uporabljajo skupaj s plinskim kotlom za ogrevanje prostorov.
Po istem principu so močnejši modeli TEG z močjo 200 vatov. V tandemu s plinskim kotlom za ogrevanje koč zagotavljajo električno energijo ne le za avtomatizacijo kotla in obtočne črpalke vode, temveč tudi za gospodinjske aparate in razsvetljavo.
Kljub svoji preprostosti in zanesljivosti (brez gibljivih delov) TEG ni bil široko sprejet. Razlog za to je izjemno nizek izkoristek, ki tudi pri polprevodniških materialih ne presega 5-7%. Podjetja, ki razvijajo takšne generatorje, jih izdelujejo v majhnih serijah po naročilu. Pomanjkanje množičnega povpraševanja vodi do visokih cen izdelkov.
Razmere se lahko spremenijo s pojavom novih materialov za toplotne pretvornike ... Toda zaenkrat se znanost nima s čim pohvaliti: najboljši vzorci TEG niso uspeli preseči 20-odstotnega faktorja učinkovitosti. V tej situaciji so TEG-ove reklamne brošure, kjer je izkoristek deklariran nad 90%, videti nekoliko smešno. Morda je čas, da se znanstveniki učijo od vnetih tržnikov?