2. Термоэлектрические генераторы (тэг)

ТЭГ являются устройствами прямого преобразования те­плоты в электроэнергию при помощи термоэлемен­тов, между спаями которых поддерживается пере­пад температур. Они предназначены для «малой» энергетики и используются для автономного энерго- и теплоснабжения различных наземных, мор­ских и космических объектов, где применение тра­диционных источников тока не представляется воз­можным или экономически нецелесообразно.

ТЭГ включает в себя систему подвода теплоты, термоэлектрическую батарею (ТЭБ) с теплоконтактной электроизоляцией и систему отвода тепло­ты. Теплота внешнего источника (пламя горелки, радионуклид, ТВЭЛ, водяной пар и др.) подводится к горячему теплоприемнику или теплопроводу, на наружной поверхности которого установлена полу­проводниковая термобатарея (низко-, средне-, вы­сокотемпературная, каскадная), состоящая из мно­жества ветвей р- и n-типа проводимости. Последо­вательно-параллельное соединение ветвей (прямо­угольных, цилиндрических, радиально-кольцевых) осуществляется коммутационными шинами (алю­миний, медь) методом пайки, прессования, диффу­зионной сварки, плазменного напыления или меха­ническим прижимом. Спаи ТЭБ изолированы от го­рячего теплопровода и холодного корпуса электро­изоляционными пластинами (оксидная керамика, слюда и др.). В некоторых генераторах для повы­шения надежности дополнительно устанавливает­ся горячая охранная изоляция (плазменное напыле­ние). Для защиты от окисления ТЭБ либо размеща­ется в герметичном чехле, заполненном аргоном или азотом, либо покрывается антисублимацион­ной эмалью, либо запрессовывается в матрицу из диэлектрического материала (слюда, полиамид и др.). Отвод теплоты от холодных спаев ТЭБ осуще­ствляется серебренным холодным радиатором или хладагентом (вода, антифриз и др.). Конструкция генератора стягивается в пакет при помощи пло­ских или тарельчатых пружин, что позволяет обеспечить качественный тепловой контакт и высокую стойкость к термоциклированию (нагрев — охлаждение).

Мощность современных ТЭГ колеблется от не­скольких микроватт до нескольких десятков кило­ватт, КПД преобразования — от 2 до 10 %, срок службы — от 1 до 25 лет, стоимость установленной мощности — от 12 до 190 дол/Вт.

Простейший полупроводниковый ТЭГ состоит из двух частей термо­электрических материалов дырочной (р-тип) и электронной (n-тип) проводимости, соединенных коммутационными шинами и замкнутых на внеш­нее сопротивление r_н (рис.2.3).

При наличии пе­репада температур Т = Т_г - Т_х между противопо­ложными спаями в замкнутой электрической цепи протекает постоянный ток I. Часть подводимого к горячим спаям теплового потока Q_г преобразует­ся в электрическую мощность N_эл, а остальная часть Q_x отводится от его холодных спаев.

1,2 — коммутационные шины; Qг , Qх — подво­димый и отводимый тепловой поток; Т_г, Т_х — температуры горячего и холодного спаев;  — вы­сота ветвей; I, r_н — ток и сопротивление нагрузки.

Рисунок 2.3 - Схема ТЭГ

Основными параметрами ТЭГ являются ЭДС Е, ток I, напряжение U, внутреннее сопротивление r, сопротивление внешней нагрузки r_н, нагрузочный коэффициент т, электрическая мощности N_эл и ко­эффициент полезного действия :

(2.4)

(2.5)

где - коэффициент добротности;

 - коэффициент термо-ЭДС;

 - удельная электрическая проводимость;

 - теплопроводность;

- коэффициент термопроводности.

Широкое практическое применение в отечественных и зару­бежных ТЭГ нашли следующие термоэлектриче­ские материалы, которые условно де­лятся на три группы:

низкотемпературные материалы (0÷300 °С). К ним относятся халькогениды висмута и сурьмы Вi₂(Те, Sе)₃ (n-тип) и (Sb, Вi)₂Те₃ (р-тип);

среднетемпературные материалы (300÷600 °С) К ним относятся теллуриды свинца РbTе (п- и р-тип), теллуриды германия GеТе (р-тип) и теллурид олова SnТе (р-тип);

высокотемпературные материалы (600 °С и выше). К ним относятся сплавы кремния с германи­ем SiGe (п- и р-тип).

Термогенераторы на органическом топливе. Такие ТЭГ нашли наибольшее практическое приме­нение для электро- и теплоснабжения автономных объектов в нефтегазовой промышленности, метео­рологии, навигации, сельском хозяйстве, армии и бы­ту. В качестве источника теплоты в них используют­ся продукты сгорания твердого (уголь, дрова, брике­ты), газообразного (метан, пропан, пропан-бутан) и жидкого (бензин, керосин, дизельное) топлива.

С середины 70-х годов по настоящее время на магистральных газопроводах России успешно экс­плуатируются свыше 12 тыс. газовых низкотемпе­ратурных ТЭГ первого поколения (УГМ-80, УГМ-80М) и двухкаскадных ТЭГ второго поколения (ГТГ-150) с инфракрасными горелками мощностью 80÷150 Вт, разработанных НПО «Квант» и серий­но выпускаемых ОАО «Позит».

Низкотемпературные генераторы с каталитиче­скими горелками мощностью от 10 до 90 Вт серий­но выпускаются в России НПП БИАПОС и в США.

На базе генераторов ГТГ-150 и ГТЖ-160 АО «Саратовгазавтоматика» в начале 90-х годов освои­ло серийный выпуск автономных источников пита­ния (АИП) мощностью 400, 750 и 900 Вт напряже­нием 27 В. За рубежом аналогичные АИП с ТЭГ на газовом топливе созданы в Канаде и в Японии.