-бесшумность;

-неограниченный срок хранения.

3.8.Примеры применения термоэлектрических материалов

Холодильные системы на основе термоэлектрических материалов разделяют в зависимости от холодопроизводительности на три группы: маломощные (Q0 < 100 Вт), средней мощности (100 < Q0 < 300 Вт) и высокомощные (Q0 > 300 Вт).

Рассмотрим области применения холодильных систем на основе термоэлектрических материалов.

Быстро растет спрос на холодильники бытового назначения

и охладители/нагреватели (кулеры) для воды с малым энергопотреблением, способных работать как в режиме нагрева, так и охлаждения, нечувствительных к вибрациям.

Для использования на транспорте получают распространение холодильники для хранения продуктов на маломерных судах, малых самолетах, в купе пассажирских поездов; кондиционеры для кабин машинистов локомотивов (рис. 3.16) и пассажирских вагонов с дифференциацией параметров по купе; автомобильные кондиционеры.

Рис. 3.16. Кондиционер для кабины машинистов локомотивов разработки ОА «Корпорация НПО РИФ» [24]

113

Для улучшения их параметров элементов электронной техники используется термостабилизация на основе термоэлектрического охлаждения. Традиционно термоэлектрическое охлаждение используется для термостатирования электронных блоков, размещаемых в специальных шкафах. При этом заданная температура с определенной точностью поддерживается во всем объеме шкафа (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Воздухоохладитель для электрошкафов, стоек с электронным оборудованием, лифтов и др. АО «Корпорация

НПО РИФ» [24]

Охлаждение интегральных микросхем (микрочипов) (рис. 3.18), необходимость которого вызвана тенденцией микроминиатюризации элементов электроники при которой возникает необходимость тепла, плотность потоков которого достигает сотен Вт/см2. В этой области термоэлектрическое охлаждение является практически безальтернативным методом. Термостабилизация усилителей, приемников излучения, электронных блоков для систем ночного видения, микропроцессоров вычис-

114

лительных систем и систем автоматики также осуществляется термоэлектрическими системами охлаждения.

Температурная стабилизация лазерных диодов для воло- конно-оптических систем является быстро развивающимся направлением термоэлектрического охлаждения. Эта необходимость продиктована бурным развитием систем телекоммуникаций и интернета.

В лабораторном и научном оборудовании термоэлектриче-

ские охладители используются в оптическом оборудовании (термоэлектрически охлаждаемыех инфракрасных детекторах, фотоумножителях, рефрактометрах, спектрофотометрах), охлаждаемых камерах и мешалках, детекторах точки росы, анализаторах состава воздуха.

Рис. 3.18. Образцы конструкций приборов со встроенными термоэлектрическими модулями [24]

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) разде-

ляют, в первую очередь, по используемым для его работы источникам тепловой энергии. Такими источниками могут являться горючее топливо (дрова, уголь, газ, бензин и т.д.), солнечная

115

энергия, радиоактивные изотопы, ядерные реакторы, геотермальные источники, тепло в радиаторах транспортных средств, тепло от электротехнических устройств.

Существующие термоэлектрические генераторы перекрывают диапазон мощности от 10-8 до 106 Вт.

Первым в мире ТЭГ считается разработанный в СССР в годы Второй мировой войны «партизанский котелок» (рис. 3.19). В качестве термоэлектрического материала были использованы полярные члены ряда Зеебека PbS и SbZn. Горячий спай котелка прогревался теплом костра, а т емпература холодного спая поддерживалась кипящей водой. Такой ТЭГ давал несколько ватт электроэнергии, достаточной для питания армейских радиостанций в партизанских отрядах. Немцам так и не удалось разгадать секрет этого устройства.

Рис. 3.19. ТЭГ «партизанский котелок» [24]

Первым применением ТЭГ в быту можно считать электрогенератор (мощность около 2 Вт), производимый в СССР в конце 1940-х годов для питания радиоприемников. Генератор работал от тепла керосиновой лампы (рис. 3.20).

116

Сейчас в промышленных масштабах выпускается множество модификаций подобных бытовых термоэлектрических генераторных модулей, позволяющих получать электрическую мощность, достаточную для питания маломощных устройств (батарей телефонов, ноутбуков и т.д.)

Весьма перспективны для массового использования ТЭГи, работающие за счет бросового тепла, к которому относится те-

пло от агрегатов транспортных средств или промышленных и электротехнических устройств (трансформаторы и др.) с тем-

пературой 350-900 К. В частности для применения в узлах автомобилей (в первую очередь, грузовых), маломерных судов ТЭГи, способные заменить существующие генераторы переменного тока, представляют интерес не только с точки зрения утилизации бросового тепла, но и отсутствием влияния работы такого устройства на мощность силовой установки (двигателя), способностью вырабатывать большие токи.

Рис. 3.20. ТЭГ на керосиновой лампе для питания Радиоприемника [24]

Для защиты магистральных нефте- и газопроводов от электрохимической коррозии в случае их расположения в трудно-

117

доступных районах крайнего Севера при отсутствии линий электропередачи применяется катодная защита с помощью источников питания на основе ТЭГ. Станции катодной защиты располагаются вдоль трубопроводов через каждые 20 – 40 км и потребляют до 1 кВт электрической мощности. Нагрев теплоносителя на таких станциях осуществляют сжиганием нефти или газа. Ресурс автономной работы таких станций составляет не менее 10 лет.

Интересным применением ТЭГ в медицине является электростимулятор сердечной мышцы – термоэлемент, вживляемый под кожу и использующий в качестве источника теплоты радиоактивный изотоп (плутоний-238).

ТЭГи, использующие в качестве топлива радиоактивные изотопы (РИТЭГи) с периодом полураспада около сотни лет, являются единственно возможными источниками питания для обеспечения дальних полетов космических аппаратов, а также для энергообеспечения спускаемых космических аппаратов. Единственный конкурент РИТЭГов в данном применении солнечные батареи перестают работать на удалении от Солнца уже у орбиты Марса. Термоэлектрические источники обеспечивают энергоснабжение космических станций, совершивших посадку на поверхность Марса, Луны.

Впечатляющим является применение РИТЭГов для питания космической станции «Вояджер-2», запущенной НАСА 20 августа 1977 года для исследований дальних планет Солнечной системы.

118