книги из ГПНТБ / Поздняков, Б. С. Термоэлектрическая энергетика

зовым пламенем. Холодные спаи охлаждались окружающим воз­ духом с помощью медных цилиндров.

В 1879 г. Кламон предложил более крупные термобатареи, в ко­ торых для нагревания спаев предусматривалось сжигание угля или кокса. На рис. 1.3 показана схема одного из ТЭГ Кламона. Бата­

рея состоит из 3000 ТЭЭЛ, собранных в 60 блоков, по 50 ТЭЭЛ в каж­ дом. Для отрицательной ветви предусматривалось использование сплава из висмута и сурьмы в

шую известность приобрели тер­ мобатареи Гюльхера и динафор (генератор тока) Хейля. Батарея Гюльхера, показанная на рис. 1.4, состояла из термопар, укрепленных в два ряда на шиферной пластинке и соединенных последователь­ но. Каждая из них представляет собою трубку из никеля, являю­ щуюся одновременно одной из ветвей термоэлемента и газовой го­ релкой, нагревающей горячий спай. К верхнему концу трубки, где горит газ, присоединяется вторая ветвь термопары из сплава цинка с сурьмой. ТЭЭЛ соединены широкими медными пластин­ ками, которые одновременно служат ребрами охлаждения. Полез­ ная мощность этого ТЭГ составляла 6 вт.

Другая модель ТЭГ (динафор Хейля), применявшаяся в Герма­ нии, показана на рис. 1.5. Такие ТЭГ выпускались мощностью от

1 до 15 вт [5].

Небезынтересно заметить, что в тот период по данным А. А. Эйхенвальда при стоимости 1 л газа 0,1 коп. 1 квт-ч электроэнергии,

10

институте АН СССР был создан первый в мире тип полупроводни­ кового ТЭГ. В 1940 г. Ю. П. Маслаковец сообщил о ТЭЭЛ из серни­ стого свинца с к. п. д. порядка 3% [19], т. е. приблизительно в де­ сять раз большим, чем к. п. д. ТЭЭЛ с металлическими элементами.

интерметаллического соединения сурьмы и цинка (положительная

зовались ТЭГ мощностью 5 вт (для питания радиоаппаратуры),

работавшие на бензине. Однако они были с ТЭЭЛ из металлических сплавов с низким к. п. д. — порядка 0,2%.

Телкес (США) изучила и использовала несколько сплавов на

В 1953 г. промышленность СССР приступила к серийному вы­ пуску термоэлектрогенератора ТГК-3 мощностью 3 вт. На под­

московном заводе «Термоэлектрогенератор» было организовано крупносерийное производство усовершенствованных ТЭГ—для пита­ ния радиоприемников в неэлектрифицированных районах. Усовер­ шенствованный серийный ТЭГ типа ТЭГК-2-2 на полупроводниках

12

В 1956— 1957 гг. вышли фундаментальные труды академика А. Ф. Иоффе и его учеников по теории и результатам эксперимен­ тальных работ в области полупроводников и полупроводниковых устройств, термоэлектрических явлений и термоэлектрических ге­ нераторов [19].

Б. Т. Коломийцем, Б. А. Остроумовым и др. [7] были созданы слоистые ТЭЭЛ с неодинаковым составом ветвей из халькогенидов висмута, сурьмы, свинца и германия, и в интервале температур 50—700° С был получен к. п. д. 13,5%, что приблизительно в три раза выше, чем при использовании однородных ветвей.

Возможность использования ЯР для производства электро­ энергии вызвало расширение работ в области прямого преобразо­ вания тепловой энергии в электрическую, особенно эффективно на­ чал развиваться термоэлектрический способ преобразования.

В1959— 1964 гг. были разработаны и испытаны ТЭГ на полонии210 мощностью 5 вт, ТЭГ «Бета-1» на церии-144,ТЭГ «Бета-2» на

стронции-90 и др. [20, 21]. Этот период можно считать началом использования в СССР радиоизотопных термоэлектрических гене­ раторов различного назначения.

ВСША изотопный ТЭГ на полонии-210 мощностью 2,4 вт впер­

вые продемонстрирован в 1959 г. [22]. С того времени в США ведется разработка и создание различных радиоизотопных ТЭГ. В послед­ ние годы начали разработку подобных генераторов и другие страны.

СССР на третьей Международной конференции по мирному использованию атомной энергии (Женева, 1964 г.) сделано сооб­ щение о пуске первого в мире ядерного реактора на быстрых нейтронах с прямым получением электроэнергии при помощи полу­ проводниковых термоэлементов (установка «Ромашка» электри­ ческой мощностью 0,5 кет). Установка была пущена в Институте

атомной энергии им. И. В. Курчатова 14 августа 1964 г. и непрерыв­ но проработала в течение 15 тыс. ч.

В США подобная термоэлектрическая установка СНАП-10А, мощностью также 0,5 кет, с реактором на тепловых нейтронах и

жидкометаллическим теплоносителем была запущена в космос 3 апреля 1965 г. и проработала 43 дня [7].

Вэти же годы Энергетическим институтом им. Г. М. Кржижа­ новского и Физико-техническим институтом АН Туркменской ССР создана опытная солнечная водоподъемная установка для пустынь СВ-1 с ТЭГ мощностью 0,3 кет. Установка имеет параболический

концентратор солнечной энергии и полупроводниковые термо­ элементы [23—25].

Впоследнее время американской фирмой «Мартин» начаты раз­ работки термоэлектрических энергетических установок с ядерными реакторами мощностью от 30 до 1300 кет [26].

Таким образом, в шестидесятые годы началось использование атомной энергии в установках с термоэлектрическими преобразо­ вателями. Начался новый этап в развитии термоэлектрической энер­ гетики [27].

13

ГЛАВА 2

РАСЧЕТЫ

ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ

§ 2.1

Основные термоэлектрические явления

К термоэлектрическим явлениям относится группа физических явлений, обусловленных существованием взаимосвязи между теп­ ловыми и электрическими процессами в проводниках электри­ чества.

В замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, воз­ никает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), если места контактов (спаев) поддерживать при различных температурах (эффект Зеебека).

Коэффициент ТЭДС имеет размерность [в/град]

и зависит от свойств материалов ветвей термо­ элемента и интервала рабочих температур, в некоторых случаях он меняет знак с изменением температуры [2].

Качественно явление Зеебека можно объяснить следующим образом. В различных проводниках энергия свободных электронов, участвующих в электрическом токе, различна и по-разному изме­ няется с изменением температуры. При наличии градиента темпе­ ратуры вдоль проводника электроны на горячем конце приобретают более высокие скорости и в результате появляется поток электронов от горячего конца к холодному; на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остается нескомпенсированный положительный заряд. Накопление продолжается до тех пор, пока возникшее падение потенциала не создает встречный поток электро-

14

нов, равный первичному потоку, вызванному различием тепловых скоростей. Разность таких падений потенциалов в двух проводни­ ках, образующих термоэлемент, и обусловливает возникновение ТЭДС [3].

Параллельно с возникновением электрического тока при нали­ чии разности температур в цепи разнородных проводников наблю­ дается обратное явление (эффект Пельтье): нагревание или охлаж­

дение спаев разнородных проводников при прохождении через них электрического тока. При этом выделение или поглощение тепла за­ висит от направления тока. На рис. 2.2 показана схема цепи Пельтье, содержащая два различных материала А и В (например,

Qn — я /.

Коэффициент Пельтье л имеет размерность [б] и его произведение

на ток в цепи определяет тепловую мощность, выделяемую или пог­ лощаемую в местах контактов. Согласно теории, подтвержденной экспериментальными данными, между коэффициентом Пельтье и ТЭДС существует следующая связь [6]:

п = аТ.

Количество тепла Пельтье может быть так же определено по формуле

<2Я = a IT.

Явление Пельтье можно рассматривать как перенос тепла элект­ рическим током от одного спая разнородных проводников к другому, который как бы увеличивает теплопроводность этих проводников

15

[7]. Явление Пельтье используется для получения низких темпера­ тур, например в холодильных машинах.

Подобное явление наблюдается в однородных неравномерно на­ гретых проводниках (эффект Томсона). Если вдоль проводника,

по которому течет ток, существует перепад температур, то в допол­ нение к теплу Джоуля в объеме проводника выделяется (или погло­ щается, в зависимости от направления тока) некоторое количество тепла Qx, пропорциональное силе тока, перепаду температур и

коэффициенту Томсона т, зависящему от природы проводника:

Qx ~ т (^i Т 2)1,

где т — коэффициент Томсона [в/град], зависит от температуры и

материала и может быть как положительным, так и отрицатель­ ным. По теории Томсона коэффициент ТЭДС связан с т соотноше­ нием [8, 9]

da/dT - (тх — т2)/Т,

щем. Если в проводнике с током существует градиент температуры и направление тока соответствует движению электронов от горяче­ го конца к холодному, то, переходя из более горячей области в бо­ лее холодную, электроны передают избыточную энергию окружаю­ щим атомам, чем вызывают нагрев проводника (выделение тепла). При обратном направлении тока электроны, переходя из более хо­ лодной области в более горячую, отбирают энергию от окружаю­ щих атомов (поглощение тепла). Для более точного описания явле­ ния необходимо учесть тот факт, что в первом случае электроны тор­ мозятся, а во втором — ускоряются полем ТЭДС. Это изменяет значение коэффициента Томсона, а в некоторых случаях приводит

кперемене его знака.

Вкачестве примера рассмотрим простейший замкнутый термо­ элемент (рис. 2.3, а), состоящий из двух различных материалов

иА 2, при температуре спаев Тг и Тх. Принципиальная картина из­

менения ТЭДС в этом термоэлементе показана на рис.2.4. ТЭДС

вцепи равна сумме составляющих и характеризуется величиной Е = IR, где R — электрическое сопротивление цепи [10]. На прак­

тике часто бывает необходимо вводить в цепь участки из третьего материала А 3 (например, в термогенераторах или термопарах). Такая цепь из трех материалов показана на рис. 2.3, б. Включение

вцепь любого материала не влияет на величину ТЭДС, если темпе­ ратуры концов этого материала одинаковы [11].

На рис. 2.3, в показана схема термоэлемента с промежуточным

нейтральным проводником, используемая для измерения температу-

16

ры. Одна из ветвей А 2 разъединена для подсоединения нейтрального провода А з измерительного прибора. Проводники Л4 и А ь служат

для подвода и отвода тепла. Эти проводники имеют одинаковую температуру и не изменяют термо-э. д. с. в цепи такого термоэле-

Рис. 2.3. ТЭЭЛ из нескольких проводников:

мента. Для определения ТЭДС любой пары проводников достаточно знать значение термо-э. д. с. этих проводников относительно треть­ его проводника, принятого в качестве эталона. При соблюдении правила использования третьего проводника (одинаковая темпера-

Рис. 2.4. Картина изменения ТЭДС в замкнутом ТЭЭЛ.

тура концов) можно термоэлементы соединить в батарею, при этом ТЭДС батареи будет равна сумме термо-э. д. с. элементов.

Более подробное описание термоэлектрических явлений можно найти в работах [12—24].

§ 2.2

Баланс мощности в ТЭЭЛ

Основная характеристика термоэлектрического цикла — баланс мощности в ТЭЭЛ, используемой для генерирования электрического тока. Простейшая батарея термоэлементов показана на рис. 2.5.

Тепло поступает к горячим концам элементов через коммутацион­ ные пластины 1 и отводится от холодных концов через пластину 2 при температурах Тти Тх соответственно. Потери тепла в окружаю­

щее пространство с боковых поверхностей ТЭЭЛ малы и в первом приближении ими можно пренебречь. Количество тепла, расходуе­

что вторая половина этого тепла отводится холодным спаям ТЭЭЛ). Количество тепла, поступающего к горячим спаям, определится

из выражения

Qr= № + QK+ (l/2) QT— (1/2) Qa =

Гх

Аналогично количество тепла, отводимого от холодных спаев ТЭЭЛ, равно

Я* = %,2(Гх) / + /С(Гг- 7 ’х) + (1/2)/2г - (1 /2 ) It \{т2~ ^ ) й Т .

Очевидно, что баланс расхода мощности для рассматриваемого ТЭЭЛ определится как Qr — Qx — 1К = 0, где W — полезная

электрическая мощность, которая может быть определена из по-

18

Обычно используются более простые формулы для определения характеристик ТЭЭЛ, например, когда разность Тг — Гх меньше, чем средняя температура термоэлектрического цикла (1/2) (Гг+ Тк).

Поскольку теплообмен с источником тепла и холода происходит на концах ТЭЭЛ, можно рассматривать вместе тепло Пельтье и

ТоМСОНа [2]. ПуСТЬ Qnt.r = Qn,г (Qt/2) И Qnt, х = Qn, X~ (Qt/2)-

Из предыдущего

+(Гг— Гх) а ср] = Т гаср + (А/2)

ианалогичным образом

Qnx, х/1== Гх аср -ф (А/2),

где

А = Тг [а,! 2 (Гр) аср] + Г Х[aj 2 (Гх) — аср)].

Вычитая почленно, получаем QnXi г — фят, х = ( ^ — Гх) а ср/.

Величина А характеризует необратимый эффект передачи тепла Томсона к двум концам ТЭЭЛ (если А = 0, то QnXt r/Qm ,x = Tv/Tх,

что является признаком обратимости). Это не совсем точно, так как выше было предположено, что к обоим концам ТЭЭЛ передается одинаковое количество тепла Томсона. В действительности доля тепла Томсона, передаваемого каждому концу ТЭЭЛ, зависит от

19