книги из ГПНТБ / Поздняков, Б. С. Термоэлектрическая энергетика
.pdfуправлением магистральных газопроводов по инициативе управле ния газопровода Дашава— Киев [13]. Они имеют по одной батарее ТЭЭЛ (ток 1 а при 10— 12 в — ТГГ-10 и 16— 18 в для ТГГ-16)
и работают на газовом топливе. Батареи состоят из отдельных секций. Горячий спай прижат к силуминовому теплопередатчику, холодный — к охлаждающим алюминиевым ребрам. Батарея пред ставляет собою цилиндр, в нижней части которого помещена газовая
Рис. 6.11. Схема ТЭГ типа ТГГ-16:
1 — термобатарея; 2 — теплопередатчик; 3 — охлаждающее ребро; 4 — диски теплопередат^ика; 5 — асбестовый фланец; 6 — газо вая горелка; 7 — газопровод.
горелка (ПБ-40-4), к которой газ поступает под избыточным давле нием около 0,015 атм. В установке ТЭГ имеется электромагнитный
клапан, способный отсекать подачу топлива. Обычно газ подается к ТЭГ от газопроводов, подведенных к домам ремонтников-обход- чиков.
Генератор ТГГ-10 в основном не отличается по принципу дей ствия от генераторов общего назначения, в нем лишь вместо керо синовой лампы используется газовая горелка. В ТЭГ ТГГ-16 приме нен усовершенствованный способ отвода тепла от горячих газов с помощью перфорированных дисков. Схема этого ТЭГ показана на рис. 6.11.
Указанные генераторы разогреваются до рабочей температуры менее чем за 30 мин. Расход газа (7000—8000 ккал/м3) составляет
126
0,1—0,2 м3/ч. Низкий тепловой к. п. д. в этих установках несу
ществен, так |
как расход газа |
ничтожен, |
главное — надежность |
|
и простота, |
низкие |
эксплуатационные расходы. |
||
Г е н е р а т о р ы |
ТЭГ-5 0 и |
ТЭГ-3 0 0. |
Хорошим источником |
питания для катодной защиты является ТЭГ-50, созданный в 1954 г. А. Н. Ворониным с сотрудниками в Институте полупроводников АН СССР (Ленинград). Другой, еще более мощной моделью явля
ется генератор катодной защиты ТЭГ-300. Их |
основные |
характе |
|||
ристики указаны в табл. 6.4. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
6.4 |
|
|
Характеристики ТЭГ-50 и ТЭГ-300 |
|
|
||
Характеристика |
ТЭГ-50 |
|
ТЭГ-300 |
|
|
Мощность, вт |
50 |
|
300 |
|
|
Напряжение, |
в |
8 |
4 |
от 4 до 24 |
|
Количество ТЭЭЛ, шт. |
— |
блока по 384 шт. |
|||
Количество батарей, шт. |
1 |
|
4 |
|
|
Температура |
горячего спая, |
350—400 |
400 |
|
|
°С |
холодного |
130 |
|
130 |
|
Температура |
|
|
|||
спая, °С |
|
|
|
|
|
ТЭМ: |
|
SbZn |
|
SbZn |
|
р-типа |
|
|
|
||
/г-типа |
|
Константан |
Константан |
||
Топливо |
|
Природный газ |
Природный газ |
||
К. п. д. по ТЭЭЛ, % |
2 |
|
2 |
|
|
К. п. д. общий, % |
1 |
|
1 |
|
|
Агрегат ТЭГ-300 состоит из четырех самостоятельных батарей, |
|||||
которые в результате их переключения |
могут |
давать напряжение |
от 4 до 24 в. Топливом для горелок служит газ, подаваемый через
редуктор из баллонов или прямо из газопровода. В каждой бата рее имеется своя горелка инфракрасного горения, керамическая насадка, блок ТЭЭЛ и ребра охлаждения, термопара и электромаг
нитный клапан на трубе подачи газа. Такие ТЭГ |
могут обеспечить |
||||
защиту до 40 км газопровода. |
|
|
|
|
|
Д р у г и е |
м о д е л и |
Т Э Г |
н а |
г а з о о б р а з н о м |
|
т о п л и в е . |
Широкое развитие получили |
ТЭГ |
на газообразном |
||
топливе и за |
рубежом — в США, |
Англии, |
Франции, Италии и |
вдругих странах.
Всередине пятидесятых годов одна из западноевропейских фирм
разработала и изготовила ТЭГ на жаропрочных сплавах с газовыми горелками, весом менее 1 кг для питания радиоприемников и пере
носной радиоаппаратуры в экспедиционных условиях. Мощность этого ТЭГ около 1 вт, газа в одном баллоне весом 4 кГ хватало на
150 я работы [7].
127
В США первый ТЭГ на газообразном топливе (пропане) мощ ностью Ъвт для промышленных целей был выпущен в 1960 г. В даль
нейшем были созданы ТЭГ на газообразном топливе мощностью 5—250 вт и более для катодной защиты металлоконструкций, для
питания радиоустановок, для освещения служебных вагонов, пере носные с удельной мощностью 20 вт!кг — для питания релейных
станций в труднодоступных районах и т. д.
Примером использования ТЭГ малой мощности на газообраз ном топливе является установка для подпитки телефонных линий в отдаленных районах [14]. ТЭГ мощностью 1 вт с полупровод
никовым усилителем вмонтирован в полую опору телефонной линии. Нижняя часть опоры служит хранилищем для топлива — сжижен ного газа.
ТЭЭЛ сконструирован в вцде коврика. В нем параллельные прово лочки из хромеля и константана переплетены стекловолокном. Кон цы каждого термоэлемента по обе стороны коврика скручены вместе, образуя термопары, соединенные последовательно. На концы тер мопар, являющиеся горячей стороной, гальваническим способом накладывается толстый слой никеля, а на концы, являющиеся хо лодным спаем, — толстый слой меди. Никель хорошо противостоит коррозии при нагреве, а медь как хороший проводник тепла способст вует охлаждению холодных концов. Установка смонтирована из нескольких изолированных ТЭЭЛ-ковриков, свернутых в труб ки горячими концами к горелке, а холодными — во внешнюю сто рону для охлаждения. Такой ТЭГ мощностью 1,25 вт при 25 в
может работать в течение 10 и более лет. Расход газа чрезвычайно мал, так как для работы ТЭГ требуется тепла немногим больше, чем от обычной свечи. Запаса сжиженного газа хватает для работы в течение одного года.
Известен пример, когда для катодной защиты был применен ТЭГ мощностью 6 вт, хотя поблизости подходила линия электропе
редачи. В этом случае ТЭГ был применен для защиты газопроводной линии длиною 9 км, диаметром 76 мм. Сравнение показало, что использование линии электропередачи, проходившей в 200 м, потре
бует больших затрат на кабели и выпрямление тока, чем использо вание термоэлектрогенератора с отбором в качестве газа из трубо провода и сжигание его в горелке [15].
§ 6.5
ТЭГ на солнечной энергии (без концентраторов)
В в е д е н и е . Использование солнечной энергии для непосред ственного получения электричества издавна привлекало внимание. Можно считать, что на каждый квадратный метр площади, находя щейся на поверхности Земли и ориентированной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1 кет тепловой мощности. Всего на
128
Землю падает световой поток около 1014 кет, из общего количества, излучаемого Солнцем, 4-1023 кет [2].
|
С помощью генератора, |
использующего |
отражатель площадью |
1 |
м2, по оценкам Б. В. Тарнижевского, можно за год выработать |
||
в |
южных районах СССР |
(Самарканде, |
Ташкенте, Ереване) до |
65 квт-ч электроэнергии, а во Владивостоке, Николаеве около 40—50 квт-ч электроэнергии [16].
В конце XIX века появились публикации описаний первых конструкций ТЭГ, использующих солнечное тепло. К числу первых экспериментальных образцов подобных устройств относится солнеч ный ТЭГ русского астронома В. К- Церасского, построенный в середине девяностых годов XIX века, который приводил в дей ствие звонок при освещении ТЭЭЛ солнечными лучами [2].
С о л н е ч н ы е Т Э Г м о щ н о с т ь ю д о \ вт {с п л о
с к и м и с т е к л а м и ) . В районах с мощной солнечной ради ацией (около 1100 кал! (ч- см2) и обилием солнечных дней могут
использоваться простейшие ТЭГ с плоскими стеклами («горячие ящики»). Ящик, в котором находятся обращенные к солнцу горячие спаи ТЭЭЛ, накрывают одним, двумя и даже тремя стек лами с небольшими воздушными промежутками (1—3 см) между
ними. Таким образом, горячие спаи ТЭЭЛ, нагреваясь непосред ственно солнечными лучами (в меру прозрачности стекол, которая может быть 70—95%), вместе с тем защищены от охлаждения изо лированными воздушными слоями между стеклами.
Подробные результаты изучения некоторых моделей солнеч ных ТЭГ с плоскими стеклами опубликованы М. Телкес в 1954 г. (США) [17]. Испытывались следующие материалы для этого ТЭГ: хромель и Константин; 86,7% Bi + 8,6% Sb и 91% Bi + 9% Sb; ZnSb (Sn, Ag, Bi) и Константин; ZnSb (Sn, Ag, Вi) и 91 % B i-f 9% Sb.
Наибольший к. п. д. ТЭГ с применением указанных материалов около 0,6%. В табл. 6.5 приведены характеристики солнечных ТЭГ с двумя плоскими стеклами и 25 ТЭЭЛ из ZnSb и Bi и хромеля и константана при температуре горячего спая около 80° С.
С о л н е ч н ы й |
Т Э Г н а 100 вт (с п л о с к и м и |
с т е к |
л а м и ) . Примером |
солнечной термоэлектрической |
установки |
сплоскими стеклами является опытный ТЭГ, описанный в работе
[18].Эта установка имеет поверхность нагрева около 16 мг. Прием
ники тепла в этой установке — квадраты из алюминия, покрытые двумя слоями стекла с зазором между ними. Висмут-теллуровые
ТЭЭЛ |
соприкасаются с нижними |
сторонами приемников тепла, |
и их |
горячие спаи нагреваются до |
120—140° С. Низкотемператур |
ная сторона ТЭЭЛ охлаждается воздухом. Температура холодных спаев на 20—25% выше окружающего воздуха. Ящики с ТЭЭЛ жестко укреплены на опорной раме, расположенной в направлении восток—запад. Наклон рамы можно регулировать в зависимости от положения Солнца в разные времена года. Электроэнергия около 5,5—7 вт/м2 использовалась для зарядки 24-вольтовой щелочной
5 Зак. 470 |
129 |
|
|
|
Т а б л и ц а 6.5 |
Характеристики солнечного ТЭГ с двумя плоскими |
|||
стеклами |
|
|
|
Характеристика |
Полупроводниковые |
Металлические |
|
ТЭЭЛ |
|
ТЭЭЛ |
|
Электрическая мощность на выходе, |
0,175 |
|
0,021 |
вт |
|
|
|
ТЭЭЛ: |
ZnSb (Sn, Ag, |
Bi) |
Хромель |
р-ветвь, материал |
|||
сечение ветви, мм2 |
126 |
Sb |
10,3 |
n-ветвь, материал |
91% Bi + 9% |
Константан |
|
сечение ветви, мм2 |
32 |
|
10,3 |
длина каждой из всех ветвей, мм |
25 |
|
27 |
Электросопротивление 25 ТЭЭЛ |
0,126 |
|
0,083 |
при 20° С, ом |
|
||
при работе, ом |
0,137 |
|
0,088 |
Площадь 25 приемников тепла, см2 |
340 |
|
360 |
Поверхность охлаждающих ребер |
500 |
|
500 |
всех ТЭЭЛ, см1 |
54 |
|
54,5 |
Разность температур горячего и хо- |
|
||
лодного спаев, °С |
12 |
|
3,44 |
ТЭДС одного ТЭЭЛ, мв |
|
||
ТЭДС всего ТЭГ, в |
0,3 |
|
0,086 |
Внешнее сопротивление нагрузки, ом |
0,137 |
|
0,088 |
Напряжение на нагрузке, в |
0,15 |
|
0,043 |
Электрический ток, а |
1,1 |
|
0,49 |
Мощность солнечного излучения, вт |
28 |
|
31 |
Полный к. п. д ., % |
0,59 |
|
0,068 |
аккумуляторной батареи через кремниевые диоды (во избежание разрядки в ночное время и т. п.)
С о л н е ч н ы й Т Э Г д л я к о с м и ч е с к и х ц е л е й (США). ТЭГ, схема которого представлена на рис. 6.12, основан на использовании ТЭЭЛ малых размеров объемом около 2,5 мм3,
размещенных между двумя параллельными пластинами (например, металлической фольги) в количестве около 3000 шт. на 1 м2\ ТЭЭЛ
изолированы от пластин и соединены последовательно-параллельно. В космическом пространстве одна пластина, обращенная к Солн цу, нагревается до 300° С, другая (холодные спаи) — при этом имеет температуру около 70° С. Каждый ТЭЭЛ в этой конструкции может производить мощность около 10 мет с к. п. д. около 2%. 1 м2 термоэлектрической панели модели весит 10 кГ и может выдавать приблизительно 30—40 вт/м2 электроэнергии. Изготовлен такой
солнечный генератор для космического корабля в виде кассеты по верхностью 30 см2 с 12 рядами ТЭЭЛ, по 12 ТЭЭЛ в каждом ряду. Он характеризовался выдачей 2 вт электроэнергии при нагревании
Солнцем в космическом пространстве [19].
Солнечные ТЭГ с плоскими поверхностями нагрева не позво ляют получить хороший к. п. д. ТЭЭЛ (особенно в земных условиях)
130
с концентраторами энергии — большая стоимость самих концентра торов. Способы уменьшения этого недостатка разрабатываются как в СССР, так и в других странах. Разработке различных проблем солнечных генераторов посвящено много исследовательских и опыт ных работ. В частности, оптимизации параметров солнечных ТЭГ посвящена работа М. Гаибназарова и др. [20J. Влияние линейного распределения теплового потока на эффективность ТЭГ оценено’ Ю. Н. Малевским и др. Советские ученые внесли большой вклад в развитие этой области знаний.
С о л н е ч н ы й Т Э Г с к о н ц е н т р а т о р о м Г У - 2. Опытный ТЭГ ГУ-2 разработан в Энергетическом институте АН СССР имени Г. М. Кржижановского. Термобатарея, образован ная 840 ТЭЭЛ из ZnSb и константана, смонтирована вблизи фо куса параболического зеркала, имеющего площадь 3 м2 и фокаль ное пятно диаметром 30 мм [21]. Испытания этого ТЭГ в 1955—
1956 гг. при разности температур в 400° С (горячий спай при 420,
холодный при 20° С) |
позволили получить мощность 20—40 вт |
при к. п. д. 1,4—2% |
[45, 46]. В установке ГУ-2 использовано зер |
кало от прожектора диаметром 2 м. Для осуществления поворота
зеркала соответственно положению Солнца применена азимуталь но-зенитная схема суточного вращения. Корректирование вращения осуществляется автоматически.
С о л н е ч н ы й Т Э Г м о щ н о с т ь ю 10 вт с к о н ц е н
т р а т о р о м . На экспериментальной базе. Энергетического инсти тута имени Г. М. Кржижановского АН СССР (Ташкент) в 1959 г. проведены испытания ТЭГ с концентратором диаметром 1 м, являю щимся исходной моделью для установки мощностью 1 кет [22]. В ка
честве ТЭМ были использованы Bi2Te3 |
(л-ветвь) |
и Bi2Te3 + |
Sb2Te3. |
|
(р-ветвь), температура горячего |
спая |
300° С, |
холодного — 70° С. |
|
Теплопроводность ТЭМ— 1,16 |
вт/(м-град). |
Добротность |
ТЭМ |
определялась величиной около 0,7-10~3 (граду1. При солнечной радиации 700 ккал/(м2-ч) расчетная мощность 13,6 вт, при тем
пературе холодных спаев 70° С. При испытаниях для разности температур горячего и холодного спаев 180° С была получена мощ ность 10,2 вт.
С о л н е ч н ы й Т Э Г м о щ н о с т ь ю 5 вт с к о н ц е н
т р а т о р о м . ТЭГ с концентратором, являющийся моделью более мощной установки, испытан на экспериментальной базе лаборато рии гелиотехники Физико-технического института АН Турк менской ССР [23].
У этого ТЭГ (рис. 6.13) каждая ветвь 7 ТЭЭЛ припаяна к алю миниевому полуцилиндру 8. Два таких полуцилиндра, разделен ных электроизоляцией 9, образуют ТЭЭЛ, коммутация ветвей ко
торого (а также с соседними ТЭЭЛ) осуществляется шинами с теп ловыми компенсаторами 5, 10. Нижняя часть ТЭЭЛ с упомянутыми полуцилиндрами вставляется в отверстие корпуса 3 с охлаждаю
щей водой, сборка из полуцилиндров уплотняется с корпусом при помощи колец из вакуумной резины 2 и гайки из диэлектрика
132
Батарея ТЭЭЛ предназначена для работы в интервале темпера- т л ° С и изготовлена из 25 последовательно соединенных
ТЭЭЛ из ТЭМ на основе свинца и селена. Длина |
ветви ТЭЭЛ 13 мм |
сечение 13 X 6 мм. |
’ |
Для коммутации по горячей стороне использованы шины из материала на основе никеля. Для получения диффузионного комму тационного перехода применялся селен или теллур, прошедшие тер мообработку в восстановительной среде при 600—700° С. Омическое сопротивление контакта составляло от Ю"4 до 10~6 ом!см2. Испыта-
5 6 7
Рис. 6.13. |
Конструкция солнечного ТЭГ с концентрато |
||||||
I — гайки |
|
ром: |
2 |
|
|
|
|
из диэлектрического |
материала; |
— уплотнение |
из |
||||
вакуумной |
резины; 3 — пластмассовый корпус |
с охлаждающей |
|||||
водой; 4 — отражающий |
экран; |
5 — тепловой |
|
компенсатор; |
6 — |
||
соединительная пластина |
горячей стороны |
ТЭЭЛ; |
7 — ветви |
||||
ТЭЭЛ; 8 — полуцилиндры |
из А1; |
9 — электроизоляция; |
10 — сое |
динительная шина с компенсатором холодного конца ТЭЭЛ.
ние стойкости этой коммутации при 450° С в течение 1200 ч на воз
духе показало, что сопротивление переходной зоны за этот период не меняется. По холодной стороне коммутация производилась припоем из 50% висмута, 25% олова и 25% свинца с предваритель ным нанесением на контактную поверхность палладиевого по крытия гальваническим способом.
Общее омическое сопротивление ТЭГ 0,156 ом, сопротивление контактов на горячей стороне 25—250 m k o m I cm 2, на холодной сто роне 40— 170 мком/см2, сопротивление соединительных шин на холодной стороне 250 мком/см2.
Концентратор солнечной энергии — параболоид диаметром 1,4 м
из зеркального алюминия. Площадь фокального пятна генера
тора составляет |
140 см2 при заполнении |
ее коммутационными |
|
пластинами |
на |
13,5%. При уровне солнечной радиации 910— |
|
950 вт/м2, |
температуре охлаждающей воды |
18° С и температуре |
холодных спаев ТЭЭЛ около 25—30° С получены характеристики, указанные в табл. 6.6.
133
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 6. 6 |
|
|
|
Экспериментальные |
характеристики ТЭГ |
|
|||
|
|
|
|
Р а з н о с т ь т е м п е р а т у р с п а е в Т Э Э Л |
|
||
|
Х а р а к т е р и с т и к а |
1 9 5 |
2 2 9 |
2 6 7 |
3 0 3 |
3 5 0 |
|
|
|
|
|||||
Выходная мощность, вт |
2 , 1 |
3,0 |
3,9 |
4.3 |
5,4 |
||
К. п. д. ТЭГ, % |
1,82 |
2,08 |
2,38 |
2,44 |
2,54 |
||
Напряжение, |
в |
1,91 |
2,46 |
2,98 |
3.3 |
3,9 |
|
Внутреннее |
сопротивление, |
0,443 |
0,514 |
0,57 |
0,63 |
0,71 |
|
ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
Испытания показали, что созданная конструкция надежна и |
||||||
удобна в эксплуатации. |
|
|
|
|
|
||
|
С о л н е ч н ы й Т Э Г в о д о п о д ъ е м н о й у с т а н о в |
||||||
ки |
м о щ н о с т ь ю |
0,3 кет. Энергетическим институтом |
|||||
им. |
Г. М. Кржижановского АН СССР и Физико-техническим инсти |
||||||
тутом АН Туркменской ССР создана и успешно |
испытана опытная |
солнечная водоподъемная установка СВ-1 с полупроводниковыми ТЭЭЛ мощностью 0,3 кет. Указанный ТЭГ дает электрический ток напряжением 20 в, который питает электромотор постоянного
тока, приводящий в действие водяной насос. Для сбора излучения Солнца используется параболический концентратор энергии диа метром 4,86 м с механизмом суточного слежения и годового скло
нения [24—26]. |
|
|
|
|
|
|
С о л н е ч н ы й Т Э Г с м а л ы м и к о н ц е н т р а т о |
||||
р а м и м о щ н о с т ь ю |
60 вт. В Институте полупроводников |
||||
АН |
СССР разработан |
и |
осуществлен |
предложенный в |
1958 г. |
А. |
Н. Ворониным [27] |
солнечный ТЭГ, |
в котором большое |
зеркало |
заменено соответствующим количеством небольших (с автомобиль ную фару) алюминиевых рефлекторов. В фокусе каждого рефлек тора помещен один ТЭЭЛ, имеющий хороший контакт с самим реф лектором. Сконцентрированные солнечные лучи нагревают ТЭЭЛ, а холодный спай охлаждается самим рефлектором. На рис. 6.14 показана схема этого ТЭГ. Несколько позднее подобная конструк ция была разработана гелиотехниками США [2].
Образец такого ТЭГ с 14 малыми концентраторами демонстриро вался в 1968 г. в Политехническом музее Москвы.
Анализ особенностей подобных ТЭГ сделан |
X. Т. Акрамовым |
|||
и др. [28], показавшими, что оптимальное |
отношение |
температур |
||
концентратора и горячего спая |
равно 3/4 |
(по |
шкале |
Кельвина) |
и что с увеличением радиуса |
концентратора |
масса |
солнечного |
генератора на единицу мощности увеличивается по закону Л3/2. Зарубежные исследователи также изучали возможность исполь зования малых концентраторов солнечной энергии. Был создан и испытан ТЭГ, дававший в земных условиях мощность 5 вт.
Установка состоит из ряда одинаковых концентраторов солнечной энергии, диаметр которых может быть выбранным от 7,6 до 10,2 см,
134
собиравших лучистую энергию на помещенный в фокусе концентра
тора шарик — приемник излучения, |
от которого тепло переда |
валось горячему спаю термоэлемента. |
Отвод тепла осуществляется |
с помощью зеркала концентратора. |
|
При испытаниях около 100 ч наибольшее изменение в мощности
ТЭГ вызывали неравномерность солнечного излучения и ветер. Расчет характеристик устройства применительно к полету около
Земли или Луны показал, что 676 элементов должны давать 243 вт.
Рис. 6.14. Гелиогенератор А. Н. Воронина:
/ — параболический рефлектор; 2 — приемник солнечного тепла; 3 — ТЭЭЛ;
4 — теплоотвод.
При этом удельная мощность получится около 30—50 вт!кг, а с уче
том использования аккумулятора энергии на период прохождения в тени планеты удельная мощность будет 18—22 вт!кг.
Т Э Г с ц и л и н д р и ч е с к и м г е л и о п р и е м н и к о м . В СССР изучалась возможность создания солнечного ТЭГ с цилинд рическим гелиоприемником (предполагалось применение концент ратора солнечной энергии). В Институте электроники АН УзССР (У. А. Арифов и др. [29]) был создан и испытан ТЭГ этого типа, рас считанный на получение мощности 35 вт. Гелиоприемник из алю
миния представлял собой двенадцатигранную призму высотой 120 мм, диаметром внутренней полости 60 мм и толщиной стенок 15 мм. Общая схема этого гелиоприемника дана на рис. 6.15.
При испытаниях использовали концентратор прожекторного типа диаметром 1,5 м, ТЭЭЛ изготовлены из Bi2Te3 — Bi2Se3
и Bi2Te3 — Sb2Te3 и в количестве 360 шт. расположены по гра ням гелиоприемника. Холодные спаи ТЭЭЛ охлаждались водой.
135