Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «теплота» не совсем точен, так как теплота является способом передачи, а не отдельным видом энергии. Это определение относится к полной кинетической энергии молекул, атомов и других структурных элементов, составляющих вещество.

Несмотря на то, что ТЭС сжигает топливо для выработки электроэнергии, ее нельзя отнести к разряду ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия сначала преобразуется в кинетическую, а она уже преобразуется в электрическую энергию. То есть топливо сжигается для получения пара из воды, который вращает турбину электрогенератора.

Оперативный план ТЭЦ

Исходя из вышеизложенного, следует уточнить, что ТЭГ должны вырабатывать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Виды генерации электроэнергии

Преобразование природных источников энергии в электричество, тепло или кинетическую энергию требует максимальной эффективности, особенно на газовых и угольных электростанциях, для сокращения выбросов CO2. Существуют различные способы преобразования тепловой энергии в электрическую в зависимости от вида первичной энергии.

Среди энергетических ресурсов уголь и природный газ используются для выработки электроэнергии путем сжигания (тепловая энергия) и урана путем деления ядер (атомная энергия) для использования энергии пара для вращения паровой турбины. На рисунке показаны десять крупнейших стран-производителей электроэнергии на 2017 год.

Таблица эффективности существующих систем преобразования тепловой энергии в электрическую.

№	Производство электроэнергии из тепловой энергии	Эффективность., %
1	ТЭЦ, ТЭЦ	32
2	Атомная электростанция, атомная электростанция	80
3	Конденсационная электростанция, КЭС	40
4	Газотурбинная электростанция, ГТЭС	60
5	Термоэлектронные преобразователи, ТЭП	40
6	Термоэлектрические генераторы	7
7	МГД энергоблоки совместно с ТЭЦ	60

Выбор способа преобразования тепловой энергии в электрическую и его экономическая целесообразность зависят от потребности в энергоносителях, наличия природного топлива и адекватности строительной площадки. Тип генерации варьируется во всем мире, что приводит к широкому диапазону цен на электроэнергию.

Проблемы традиционной электроэнергетики

Технологии преобразования тепловой энергии в электрическую, такие как ТЭЦ, АЭС, КЭС, ГТЭС, ТЭЦ, термоэлектрические генераторы, МГД-генераторы, имеют различные достоинства и недостатки.

Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) иллюстрирует преимущества и недостатки технологий производства естественной энергии, рассматривая такие критические факторы, как строительство и стоимость электроэнергии, земли, потребности в воде, выбросы CO2, отходы, доступность и гибкость.

Результаты EPRI показывают, что не существует универсального подхода при рассмотрении технологий производства электроэнергии, но природный газ по-прежнему имеет ряд преимуществ, он доступен для строительства, имеет низкие затраты на электроэнергию и создает меньше выбросов, чем уголь.

Однако не все страны имеют доступ к обильному и дешевому природному газу. В некоторых случаях доступ к природному газу находится под угрозой из-за геополитической напряженности, как это имело место в Восточной Европе и некоторых странах Западной Европы.

Технологии возобновляемых источников энергии, такие как ветряные турбины, солнечные модули, производят блестящую электроэнергию. Однако они, как правило, требуют много земли, а результаты их эффективности нестабильны и зависят от погоды.

Уголь, основной источник тепла, является наиболее проблематичным. Он лидирует по выбросам СО2, требует много чистой воды для охлаждения теплоносителя и занимает большую площадь под строительство станции.

Новые технологии направлены на уменьшение ряда проблем, связанных с технологиями производства электроэнергии. Например, газовые турбины в сочетании с резервной батареей обеспечивают аварийное резервирование без сжигания топлива, а периодически возникающие проблемы с возобновляемыми ресурсами можно смягчить, создав доступное крупномасштабное хранилище энергии.

Поэтому на сегодняшний день не существует идеального способа преобразования тепловой энергии в электрическую, который мог бы обеспечить надежную и экономичную электроэнергию с минимальным воздействием на окружающую среду.

Тепловые электростанции

На тепловых электростанциях пар высокого давления и высокой температуры, получаемый при нагреве воды при сжигании твердого топлива (главным образом угля), приводит во вращение турбину, соединенную с генератором. Таким образом, он преобразует свою кинетическую энергию в электрическую энергию. Рабочие элементы тепловой электростанции:

Котел с газовым камином.
Паровая турбина.
Генератор.
Конденсатор.
Градирни.
Циркуляционный водяной насос.
Насос подачи котловой воды.
Вентиляторы с принудительной вытяжкой.
Сепараторы.

Типовая схема тепловой электростанции представлена ниже.

Паровой котел используется для преобразования воды в пар. Этот процесс осуществляется за счет нагрева воды в трубах с подогревом от сжигания топлива. Процессы горения осуществляются непрерывно в камере сгорания топлива с подачей воздуха извне.

Паровая турбина передает энергию пара для вращения генератора. Пар под высоким давлением и температурой толкает лопасти турбины, закрепленные на валу, так что она начинает вращаться. При этом параметры перегретого пара, поступающего в турбину, снижаются до состояния насыщения.

Насыщенный пар поступает в конденсатор, а сила вращения используется для вращения генератора, вырабатывающего электричество. Почти все паровые турбины в настоящее время относятся к конденсаторному типу.

Конденсаторы – это устройства для преобразования пара в воду. Пар течет снаружи труб, а охлаждающая вода течет внутри труб. Эта конструкция называется поверхностным конденсатором. Скорость теплопередачи зависит от расхода охлаждающей воды, площади поверхности труб и разницы температур между водяным паром и охлаждающей водой.

Процесс смены водяного пара происходит при давлении и температуре насыщения, при этом конденсатор находится под вакуумом, так как температура охлаждающей воды равна температуре наружного воздуха, максимальная температура конденсата воды близка к температуре наружного воздуха.

Генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Генератор состоит из статора и ротора. Статор состоит из корпуса с катушками, а привод вращения магнитного поля состоит из сердечника с катушкой.

По виду вырабатываемой энергии ТЭЦ делятся на конденсационные КЭС, вырабатывающие электрическую энергию, и теплоэлектроцентрали, совместно вырабатывающие тепловую (пар и горячую воду) и электрическую энергию. Последний имеет возможность преобразовывать тепловую энергию в электрическую с высоким КПД.

Атомные электростанции

Атомные электростанции используют тепло, выделяющееся при ядерном делении, для нагрева воды и производства пара. Пар используется для вращения больших турбин, вырабатывающих электроэнергию. При делении атомы расщепляются, образуя более мелкие атомы, высвобождая энергию.

Процесс происходит внутри реактора. В середине находится активная зона, содержащая уран-235. Топливо для атомных электростанций получают из урана, содержащего изотоп 235U (0,7%) и неделящийся 238U (99,3 %).

Ядерный топливный цикл представляет собой серию промышленных стадий, связанных с производством электроэнергии из урана в ядерных энергетических реакторах. Уран является относительно распространенным элементом, встречающимся во всем мире. Его добывают в ряде стран и перерабатывают перед использованием в качестве топлива.

Деятельность, связанная с производством электроэнергии, в целом относится к ядерно-топливному циклу по преобразованию тепловой энергии в электрическую на атомных электростанциях. Ядерный топливный цикл начинается с добычи урана и заканчивается захоронением ядерных отходов. При переработке отработавшего топлива в качестве альтернативы ядерной энергетике этапы образуют настоящий цикл.

Уранплутониевый топливный цикл

Для подготовки топлива к использованию на АЭС осуществляются процессы добычи, переработки, конверсии, обогащения и производства твэлов. Топливный цикл:

Выгорание урана-235.
Шлак — 235U и (239Pu, 241Pu) из 238U.
В процессе распада 235U снижается расход, и из 238U получаются изотопы при выработке электроэнергии.

Стоимость твэлов для ВВР составляет примерно 20% от стоимости вырабатываемой электроэнергии.

После того, как уран провел в реакторе около трех лет, отработавшее топливо может пройти еще один процесс использования, включая временное хранение, переработку и переработку перед захоронением. Атомные электростанции обеспечивают прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Тепло, выделяющееся при ядерном делении в активной зоне реактора, используется для превращения воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины и приводит в действие генераторы для выработки электроэнергии.

Пар охлаждается путем превращения в воду в отдельной конструкции электростанции, называемой градирней, которая использует воду из прудов, рек или моря для охлаждения чистой воды в паросиловом контуре. Затем охлажденная вода повторно используется для производства пара.

Доля производства электроэнергии атомными электростанциями, по отношению к общему балансу производства их разных видов ресурсов, в разрезе некоторых стран и в мире — на картинке ниже.

Газотурбинная электростанция

Принцип работы газотурбинной электростанции аналогичен паротурбинной электростанции. Разница лишь в том, что в паротурбинной электростанции для вращения турбины используется сжатый пар, а в газотурбинной электростанции используется газ.

Рассмотрим принцип преобразования тепловой энергии в электрическую в газотурбинной электростанции.

В газотурбинной электростанции воздух сжимается в компрессоре. Затем этот сжатый воздух проходит через камеру сгорания, где образуется газовоздушная смесь, температура сжатого воздуха повышается. Эта смесь высокой температуры и высокого давления проходит через газовую турбину. В турбине он сильно расширяется и получает достаточную кинетическую энергию для вращения турбины.

В газотурбинной электростанции вал турбины, генератор переменного тока и воздушный компрессор являются общими. Механическая энергия, вырабатываемая турбиной, частично используется для сжатия воздуха.

Газотурбинные электростанции часто используются в качестве резервного вспомогательного источника энергии для гидроэлектростанций. Он вырабатывает вспомогательную энергию во время пуска гидроэлектростанции.

Преимущества и недостатки газотурбинной электростанции

Конструкция газотурбинной электростанции значительно проще паротурбинной электростанции. Размер газотурбинной электростанции меньше, чем паротурбинной электростанции. В газотурбинной электростанции нет компонента котла, и поэтому система менее сложна. Нет пара, поэтому не требуется конденсатор или градирня.

Проектирование и строительство мощных газотурбинных электростанций намного проще и дешевле, капитальные затраты и эксплуатационные расходы значительно меньше затрат на эквивалентную паротурбинную электростанцию.

Постоянные потери в газотурбинной электростанции намного ниже, чем в паротурбинной электростанции, поскольку в паровой турбине котельная электростанция должна работать непрерывно, даже когда система не подает нагрузку в сеть. Газотурбинная электростанция может быть запущена практически сразу.

Недостатки газотурбинной электростанции:

Механическая энергия, вырабатываемая турбиной, также используется для привода воздушного компрессора.
Поскольку большая часть механической энергии, вырабатываемой в турбине, используется для привода воздушного компрессора, общий КПД газотурбинной электростанции не так высок, как эквивалентной паротурбинной электростанции.
Выхлопные газы газотурбинной электростанции сильно отличаются от котла.
Перед фактическим запуском турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует дополнительного источника питания для запуска газотурбинной электростанции.
Температура газа в газотурбинной электростанции довольно высока. Это приводит к более короткому сроку службы системы, чем у соответствующей паровой турбины.

Из-за более низкой эффективности газотурбинная электростанция не может использоваться для коммерческого производства электроэнергии, она обычно используется для подачи вспомогательной энергии на другие обычные электростанции, такие как гидроэлектростанция.

Термоэмиссионные преобразователи

Их также называют термоэмиссионными генераторами или термоэлектрическими двигателями, которые напрямую преобразуют тепло в электричество с помощью теплового излучения. Тепловая энергия может быть преобразована в электрическую энергию с очень высокой эффективностью посредством температурно-индуцированного процесса потока электронов, известного как термоэлектронное излучение.

Основной принцип работы термоэмиссионных преобразователей энергии заключается в том, что электроны испаряются с поверхности нагретого катода в вакууме, а затем конденсируются на более холодном аноде.

С момента первой практической демонстрации в 1957 г термоэмиссионные преобразователи энергии использовались с самыми разными источниками тепла, но все они требуют работы при высоких температурах — выше 1500 К.

В то время как работа термоэлектронных преобразователей мощности при относительно низкой температуре (700 К — 900 К) возможно, эффективность процесса , которая обычно составляет > 50%, сильно снижается, поскольку количество электронов, испускаемых катодом на единицу площади, зависит от температуры нагрева.

Для традиционных катодных материалов, таких как металлы и полупроводники, количество испускаемых электронов пропорционально квадрату температуры катода. Однако недавнее исследование показывает, что температуру нагрева можно снизить на порядок, используя графен в качестве горячего катода.

Полученные данные показывают, что катодный термоэмиссионный преобразователь на основе графена, работающий при температуре 900 К, может достигать КПД 45%.

Принципиальная схема процесса электронной термоэлектронной эмиссии представлена на изображении.

TIC на основе графена, где Tc и Ta — температуры катода и анода соответственно. Основываясь на новом механизме термоэлектронной эмиссии, исследователи предполагают, что катодный преобразователь энергии на основе графена может найти свое применение в утилизации отработанного промышленного тепла, температура которого часто достигает диапазона от 700 до 900 К.

Новая модель, представленная Ляном и Энгом, может быть полезна для проектирования преобразователя энергии на основе графена. Твердотельные преобразователи энергии, которые в основном представляют собой термоэлектрические генераторы, обычно неэффективно работают в диапазоне низких температур (КПД менее 7%).

Принцип работы

ТЭГ основан на термоэлектрическом явлении, описанном в начале 1920-х годов немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в замкнутом контуре, состоящем из проводника и сурьмы, предположив, что в местах соприкосновения этих материалов создается разность температур.

Изображение устройства, с помощью которого был зарегистрирован этот эффект, представлено ниже.

Термопара из эксперимента Зеебека

Обозначения:

1 — медная жила.
2 — сурьмяный проводник.
3 — стрелка компаса.
А и В — точки контакта между двумя проводниками.

При нагреве одного из контактов стрелка отклонялась, указывая на наличие магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта направление ЭДС меняется на противоположное. Следовательно, при разрыве цепи можно зафиксировать разность потенциалов на концах.

через 12 лет после того, как Зеебек опубликовал результаты своих опытов, французский физик Жан Пельтье обнаружил обратный эффект. Если по цепи термопары пропускают ток, в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные о современных одноименных элементах, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба этих эффекта являются противоположными сторонами одного и того же термоэлектрического явления, позволяющего получать электричество непосредственно из тепловой энергии. Но до открытия полупроводников термоэлектрический эффект не нашел практического применения из-за недопустимо низкого КПД.

Поднять его до 5% удалось лишь в середине прошлого века. К сожалению, даже для современных полупроводниковых элементов этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы этого типа в качестве серьезных конкурентов тепловых электростанций.

Перспективы

В настоящее время ведутся эксперименты по подбору оптимальных термопар, которые повысят КПД. Проблема в том, что под эти исследования трудно подвести теоретическую базу, поэтому приходится опираться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное содержание и состав сплава материала для термопар, говорить о ближайших перспективах — дело неблагодарное.

Высока вероятность, что в ближайшем будущем для повышения добротности термопар разработчики перейдут на другой уровень производства сплава для термопар, используя нанотехнологии, квантовые ямы и т.д.

Не исключено, что будет разработан совсем другой принцип с использованием нетрадиционных материалов. Примером могут служить эксперименты, проведенные в Калифорнийском университете, где вместо термопары, соединяющей два золотых микропроводника, использовалась искусственно синтезированная молекула.

Молекула вместо термопары

Первые эксперименты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

Ввиду низкого КПД ТЭГ возможны два варианта использования:

Места, где другие источники питания недоступны.
В процессах, где есть избыточное тепло.

Вот несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, сочетающие в себе следующие функции:

Варочная поверхность.
Обогреватель.
Источник электричества.

Это отличный пример, который сочетает в себе все оба приложения.

Индигирка — три в одном

Показанная на рисунке энергетическая плита имеет следующие параметры:

Вес – чуть более 50 килограммов (без учета топлива).
Размеры: 65х43х54 см (без дымохода).
Оптимальная загрузка органического топлива – 30 литров. Допускается использование лиственных пород, торфа, бурового (не каменного!) угля.
Средняя тепловая мощность агрегата составляет около 4,5 кВт.
Мощность электрической нагрузки от 45-50 Вт.
Стабилизированное постоянное напряжение на выходе — 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов через переходник от прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

Тепловая энергия, выделяющаяся при разложении нестабильных элементов, может выступать источником тепла для ТЭГ. Такие источники называются радиоизотопами. Главное их преимущество в том, что они не требуют постоянной загрузки топлива. Недостатком является необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность дозаправки и необходимость утилизации.

Срок службы таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляются следующие требования:

Высокий коэффициент объемной активности, то есть малое количество вещества, должен обеспечивать нужный уровень энерговыделения.
Поддержание необходимого уровня мощности в течение длительного времени. Этому параметру отвечает, как было сказано выше, период полураспада, например для стронция-90 он составляет 29 лет, поэтому за это время источник потеряет половину своей мощности.
Ионизирующее излучение должно быть практичным в использовании, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
Необходимый уровень безопасности. Это означает, что ионизирующее излучение не должно наносить вред окружающей среде (при работе на земле) и оборудованию, работающему от такого источника.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упомянутого выше стронция-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, область их применения достаточно разнообразна, они используются как в космосе, так и на Земле. На изображении ниже показан РИТЭГ, работавший на космическом корабле «Кассини». В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента составляет чуть более 87 лет. В конце 20-летней миссии источник произвел 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

В качестве примера был приведен «Кассини», и в силу его массовости можно констатировать, что практически все космические аппараты используют РИТЭГ для привода аппаратуры. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов обычно не публикуются.

На земле ситуация почти такая же. Технология РИТЭГа, так сказать, известна, но подробности являются секретной информацией. Достоверно известно, что такие установки используются в качестве источника питания навигационного оборудования в районах, где по техническим причинам невозможно получить питание иным способом. То есть речь идет о труднодоступных регионах.

Такие источники, к сожалению, не являются самой подходящей альтернативой тепловым электростанциям с экологической точки зрения.

РИТЭГ подняли с глубины 14 метров под Сахалином

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В заключение расскажем, как сделать ТЭГ, который можно использовать в походе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но из-за недоступности плутония и его неприятного свойства наносить вред человеческому организму приходится довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например TEC1 12710. Для увеличения мощности рекомендуется использовать несколько элементов, соединенных параллельно. К сожалению, здесь есть очень серьезный нюанс, нужно выбирать элементы с похожими параметрами, что для китайской продукции практически невозможно, а использовать бренд дорого, проще купить готовый генератор.

Если вы используете один модуль Pelte, тока едва хватит, чтобы зарядить телефон или другой гаджет. Также нам понадобится металлический корпус, типа б/у блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим термопасту на корпус в месте крепления термоэлемента, прислоняем к нему и фиксируем радиатором. В итоге получаем конструкцию, как на рисунке ниже.

Туристическая ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь к нашему источнику нужно подключить стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Дизайн готов, можно приступать к тестированию.

Термоэлектрический генератор: принцип работы, применение, как сделать