Розділ 1. Огляд літератури Конструкції та властивості термогенераторів малої потужності

За оцінками спеціалістів у даний час на одного жителя Землі виробляється 20МВт·год електричної енергії, при цьому розбіжність цього показника для країн різного рівня розвитку складає більше ніж 50 разів. Сумарне споживання енергії людством у даний час перевищує 120 млрд. МВт·год і продовжує збільшуватись зі швидкістю близько 3 % в рік [1].

На сьогодні 1,6 млрд. людей все ще на мають доступу до електрики. Вони освітлюють своє житло свічками, гасом, дизельним паливом, природним газом, пропаном, світлом хворосту з вогнища. Майже 35 млн. біженців, які живуть у тимчасових таборах за кордоном, або у власній країні, взагалі не мають електрики у своїх домівках. За останніми даними, 14 % міських домів і 49 % сільських у країнах, що розвиваються, не мають електрики. В деяких країнах, наприклад, в Уганді і Ефіопії, тільки 1% сільських сімей користуються електромережею. За оцінками експертів, в найближчі 30 років частка людства, яке не має електрики, буде зменшуватись лише на 0,4 % в рік [2].

Актуальним у даний час є використання для освітлення світлодіодів. Світлодіоди яскравого білого світла потужністю 1-3 Вт випускаються серійно, постійно удосконалюються і споживають на 80 % енергії менше, ніж найпотужніша флуоресцентна лампа денного світла і можуть живитися від акумулятора, що застосовуються у стільникових телефонах. Акумулятор вдень заряджається від сонячної батареї площею 12х20 см, а ввечері живить світлодіод. Побутові лампи на основі світлодіодів характеризуються не тільки дуже малим енергоспоживанням, але і міцністю, довговічністю (строк служби – декілька десятків тис. год.), портативністю, можливістю живитися від батарейок стандарту АА. На рис. 1 наведена діаграма вартості освітлення різними пристроями [1]. Розрахунки проведені, виходячи з трьохрічної експлуатації приладу освітлення з врахуванням його амортизації і всіх витрат: ціни обладнання, пального, електроенергії з мережі, лампочок, гнітів, батарейок. Час освітлення – чотири години на добу. Ціна на електроенергію прийнята з розрахунку 10 центів за кіловат-годину, на гас – півдолара за літр. Найдешевшими є комбінація «сонячна панель – білий світлодіод».

Рис. 1. Загальна вартість освітлення на 1000 люкс-годин з використанням різних джерел світла.

Головними конкурентами термоелектричних генераторів (ТЕГ) для освітлення є сонячні і вітрові генератори, комбіновані вітро-сонячні системи, дизель-генераторні установки. Істотний недолік сонячних і вітрових електростанцій – нестабільність їх роботи внаслідок залежності від природних і кліматичних умов і висока вартість системи енергозабезпечення. Для типового котеджу з добовим споживанням 3-4 кВт, наприклад, для широти Києва вона складає 4 тис. $, окупність 15 років [3]. До недоліків дизель-генераторних установок слід віднести високий рівень шуму і невеликий ресурс роботи.

Альтернативою таким джерелам є малопотужний термогенератор на рідкому, газовому або твердому паливі в тих місцях, де немає електрики, але є паливо: бензин, гас, природний газ або пропан-бутан, дрова, торф, вугілля. Це робота і відпочинок в важкодоступних місцях, аварійне або позапланове відключення електроенергії під час землетрусів, повеней, ліквідації наслідків стихійних лих. Така комбінована система, що включає фотоперетворювач, термогенератор і акумулятор, від якого живиться джерело освітлення, описана в роботі [4] (рис.2).

Рис. 2. Система освітлення із зарядним пристроєм [4].

Розроблені джерела живлення портативних пристроїв на основі гасових ламп, ліхтарів, в яких джерела тепла використовуються за своїм прямим призначенням: для освітлення приміщень. Компанія «Serras Technologies», (Франція) (рис. 3) виробляє термогенератори з гасовим ліхтарем для освітлення і живлення малопотужних транзисторних приймачів [5]. У генераторі використані металеві термопари і повітряне охолодження, вихідна напруга 3 В. Низька потужність такого генератора (0,2 Вт) обмежує його використання для більш потужних радіоприймачів і зарядки акумуляторів.

Термогенератор Алтек-8019 (рис. 4) – розробка Інституту термоелектрики НАН України не мають таких недоліків [6]. У генераторі Алтек-8019 джерело тепла і світла – гасова лампа, напівпровідникова термобатарея виготовлена з матеріалу на основі Bi₂Te₃, електрична потужність генератора 3 Вт, електронний стабілізатор дозволяє отримувати напругу 3, 6 і 12 В.

Такий термогенератор можна використовувати як для живлення радіоприймачів, магнітофонів, так і для зарядки акумуляторів мобільних телефонів, цифрових фотоапаратів, інших електронних пристроїв.

Рис. 3. Лампа Люфо виробництва компанії «Serras Technologies» [5].	Рис.4. Термогенератор з гасовою лампою Алтек-8019 [6].

Проведений техніко-економічний аналіз використання термогенератора на пропан-бутані потужністю 10 Вт з акумулятором показав конкурентоспроможність такого методу освітлення. При цьому вартість 1000 люкс-годин з розрахунку трирічної експлуатації складає 1,15 $. Для порівняння вартість освітлення економічною флуоресцентною лампою з акумулятором і сонячною панеллю складає 1,2 $.

Для всіх категорій населення, які не мають можливості користуватися електрикою, і в тих місцях, де відсутня електрика, але є паливо, зокрема гас, бензин, природний газ, пропан-бутан можуть знайти застосування малопотужні термогенератори на твердому, рідкому і газовому паливі. Для цивілізованих країн вони знайдуть застосування при виїзді на природу, у відпустку в місця, де немає електрики («зелений туризм»), у випадках аварійного або позапланового відключення електроенергії.