Термоэлектрогенератор

Термоэлектрогенератор — это техническое устройство, предназначенное для прямого  преобразования тепловой энергии в  электричество посредством использования  в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).

История изобретения  термоэлектрогенераторов

Типы применяемых  термоэлектрогенераторов

Топливные: Тепло  от сжигания топлива (природный газ, нефть, уголь) и тепло от горения  пиротехнических составов (шашек).

Радиоизотопные: Тепло от распада изотопов (распад не контролируется и работа определяется периодом полураспада).

Атомные: Тепло  атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоний, торий), как правило, здесь термоэлектрогенератор  — вторая и третья ступень преобразования.

Солнечные: Тепло  от солнечных коллекторов (зеркала, линзы, тепловые трубы).

Утилизационные: Тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные и печные газы и др).

Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии 

Для термоэлектрогенераторов  используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик (тысячи сплавов и соединений), но лишь немногие из них позволяют в достаточной мере использоваться для преобразования тепловой энергии. Современная наука постоянно изыскивает новые и новые полупроводниковые композиции и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах. Определённо можно сказать, что на сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным инструментом в создании такого материала является эксперимент. Важнейшими свойствами полупроводникового материала для термоэлектрогенераторов являются:

КПД: Желателен  как можно более высокий КПД;

Технологичность: Возможность любых видов обработки;

Стоимость: Желательно отсутствие в составе редких элементов  или их меньшее количество, достаточная сырьевая база (для расширения сфер ассимиляции и доступности);

Коэффициент термо-ЭДС: Желателен как можно более  высокий коэффициент термо-ЭДС (для  упрощения конструкции);

Токсичность: Желательно отсутствие или малое содержание токсичных элементов (например: свинец, висмут, теллур, селен) или их инертное состояние (в составе сплавов);

Рабочие температуры: Желателен как можно более  широкий температурный диапазон для использования высокопотенциального тепла и, следовательно, увеличения преобразуемой тепловой мощности.

Пути развития и повышения КПД 

Самым, пожалуй, важным в развитии термоэлектрогенераторов  и увеличения их КПД является —  материаловедение, и воспитание специалистов высочайшего класса. Именно вопросы разработки новых материалов являются ключевыми в прогрессе термоэлектрогенераторов. Вот наиболее актуальные направления для ТЭГов:

Эффективный термоэлектрический материал: КПД преобразования, термо-ЭДС, пластичность, тонкоплёночное исполнение.

Эффективный и  совместимый с теплообменником  жидкометаллический теплоноситель.

Расширение использования  высококачественной керамики в конструкции  ТЭГ.

Унификация узлов, приспособленных для разных случаев  применения.

Предельное повышение энергоплотности ТЭГов до уровня автомобильных и авиационных двигателей и выше.

КПД различных  термоэлектрических генераторов и  составляющих их узлов[источник не указан 326 дней]:Типы термоэлектрогенераторов  и основных составляющих генераторных узлов 1965 год. 1970 год. 1975 год. 1980 год. Карно.

Солнечная энергия  без концентрации 0,8 0,85 0,9 0,92 0,96

Солнечная энергия  с концентрацией 0,65 0,7 0,75 0,8 0,9

Газовые горелки 0,5 0,6 0,65 0,7 0,8

Газовые топки 0,75 0,8 0,85 0,9 0,92

Изотопы 0,8 0,85 0,9 0,95 1,00

Атомные реакторы 0,75 0,8 0,85 0,95 1,00

Низкотемпературные  термоэлектрические материалы 0,06 0,08 0,1 0,12 0,5

Среднетемпературные термоэлектрические материалы 0,04 0,06 0,08 0,1 0,35

Высокотемпературные термоэлектрические материалы 0,04 0,05 0,06 0,07 0,23

Каскадные термоэлементы 0,12 0,14 0,18 0,20 0,77

Коммутация термоэлектрических батарей 0,9 0,93 0,95 0,98 0,99

Изоляция термоэлектрических батарей 0,9 0,92 0,95 0,97 1,00

Тепловой контакт 0,9 0,93 0,95 0,97 0,99

Теплоноситель 0,9 0,92 0,93 0,94 0,98

Охлаждающее оребрение  наземное  0,55 0,6  

Охлаждающее оребрение  космическое  0,8 0,85  

Солнечный космический  термоэлектрогенератор без концентратора 0,016 0,025 0,035 0,045 0,16

Солнечный космический  термоэлектрогенератор с концентратором 0,017 0,029 0,043 0,061 0,25

Солнечный наземный термоэлектрогенератор с концентратором 0,029 0,044 0,088 0,145 0,59

Газовый термоэлектрогенератор  с оребрением 0,013 0,023 0,030 0,043 0,20

Газовый термоэлектрогенератор  с теплоносителем 0,02 0,035 0,073 0,175 0,57

Радиоизотопный  термоэлектрогенератор с оребрением 0,021 0,032 0,049 0,12 0,36

Радиоизотопный  термоэлектрогенератор с теплоносителем 0,032 0,075 0,129 0,24 0,71

Реакторный космический  термоэлектрогенератор 0,016 0,023 0,044 0,113 0,36

Реакторный наземный термоэлектрогенератор 0,03 0,047 0,121 0,24 0,71

Термоэлектрогенератор типа парового котла    0,226 0,66 

Примечание: Коэффициент  Карно = 1 соответствует 100 %. 

Из таблицы  заметен существенный рост КПД, связанный  прежде всего с тщательным совершенствованием технологий изготовления материалов, рациональным исполнением конструкций, развитием материаловедения в области термоэлектричества.