Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

УДК 621.382.8

СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

В.

С. Семенов, А. В.

Бейльман Научный руководитель — И. В. Трифанов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп.

им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: aaa@mail.sibsau.ru

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития представленных технологий. Сформулированы основные направления НИР на преобразования тепловой энергии в электрическую.

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, электроэнергия, тепловая энергия, преобразователь

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

V.

S. Semenov, A. V.

Beylman Scientific supervisor — I. V. Trifanov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E-mail: aaa@sibsau.ru

The scientific and technological analysis of development of the available installations and ways of direct transformation of thermal energy to the electric is carried out. Strategy and prospects of development of the technologies affected in article are considered.

Keywords: thermoelectric generator, electric power, thermal energy, converter.

Развитие науки и техники за последние десятилетия привело к появлению новых областей применения источников тепловой электрической энергии, удовлетворяющих таким требованиям, как высокий к. п.

д. и большая удельная мощности (на единицу веса или объема установки), высокая надежность и длительный ресурс работы, безопасность и удобство эксплуатации и т. д.

Актуальность данной темы заключается в том, что методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию позволяют получать электрическую мощность, минуя промежуточную стадию — превращение ее в механическую энергию, тем самым упрощая конструкцию и расширяя функциональные возможности установки. Термоэлектрические модули обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами устройств: бесшумность работы; отсутствие подвижных частей; отсутствие рабочих жидкостей; работа в любом пространственном положении; малый размер и вес системы; простота управления.

Был проведен анализ термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии, работа которых основана на эффектах Зеебека, Пельтье, Томсона, Ричардсона. Патентный поиск показал, что в настоящее время существует достаточно много устройств с различными вариантами конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

1. ТЭГ как устройство для повышения эффективности использования теплоты отработавших газов. У судовых двигателей, работающих на дизельном топливе, около 40% тепла уносится горячими выхлопными газами.

Одним из решений эффективной утилизации выхлопных газов является использование термогенераторов на основе энергии тепла отработавших газов [1]. ТЭГ представляет собой съемную конструкцию, встраиваемую в систему газовыхлопа. В установке применяются

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

термогенераторные модули, работа которых основана на полупроводниковых элементах. Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счет пресной воды.

Все это приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебе-ка, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токоотводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна. КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 8-12 %.

2. Существуют также устройства, использующиеся на авиасудах [2].

ТЭГ, использующиеся для питания электрооборудования. В данной схеме электрическая энергия генерируется за счет отработавшего газа в турбине, а охлаждение происходит за счет холодной текучей среды, например, холодного воздуха. КПД данной схемы варьируется в пределе от 8-15 %, мощность до 7 кВт, напряжение до 300 В.

3. В космической технике, где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно, используются радиоизотопные источники энергии, использующие тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующие её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

В настоящее время на марсоходе «Curiosity» используется такой радиоизотопный генератор (РИТЭГ). РИТЭГ [3] применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и другом оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

4. В 2011-2012 гг.

при исследовании редкоземельных полупроводников было обнаружено новое физическое явление, заключающееся в спонтанной генерации электрического напряжения при нагреве. Актуальность заключается в том, что КПД преобразователя, работающего на основе полупроводника сульфита самария, равен «47 % при Т = 150 °С. Напряжение 0,5 В, вес всего 10 гр [4].

Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки оптимальной конструкции генератора.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на неизвестном ранее физическом эффекте генерации ЭДС при нагревании полупроводникового материала на основе сульфида самария в условиях отсутствия внешних градиентов температуры.

Следует отметить также, что применяемый материал SmS, является радиационно стойким, нетоксичным, с отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем диапазоне температур (150-450 °С), а также обладает высокой температурой плавления (2 300 °С), в сравнении с известными полупроводниками. На основе преобразования тепловой энергии в электрическую созданы измерительные датчики и приборы (термопары, термоэлектрический термометры, терми-сторы).

На сегодняшний день данные методы нашли свое применение в таких областях науки и техники как: авиация и космонавтика, судостроение, электрическая промышленность, бытовая сфера.

Применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую за счет них утилизируется неиспользуемая тепловая энергию, которая бы просто растворилась в пространстве. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности.

Выводы: проведен теоретический анализ методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Установлено, что КПД преобразования тепловой энергии в электрическую может составлять 8-47 % при мощности 0,1 Вт-7 кВт. Определены направления НИР по разработке методов преобразования тепловой энергии в электрическую для космической отрасли и метрологии на основе полупроводниковых материалов (сульфида самария, висмута, сурьмы, индия).

Библиографические ссылки

1.

Виноградов С. В., Халыков К. Р., Нгуен К.

Д. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей // Вестн. Астрахан.

гос. техн. ун-та.

Сер. «Морская техника и технология». 2011.

№ 1. С. 84-91.

2. Пат.

№ 2534443 RU, H 01 L 35/30. Термоэлектрический генератор газовой турбины / Б. Кри-стоф.

№ 2011136856/28; заявл. 04.02.2010; опубл. 27.11.2014.

Бюл. № 33. 11 с.

3. Железняков А.

Б. РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов [Электронный ресурс]. URL: http://geektimes.ru/post/231197 (дата обращения: 28.03.2014).

4. Каминский В.

В. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках SmS. ФТТ, 2014.

Т. 56. В.

9. С. 131-142.

© Семенов В. С., Бейльман А. В., 2015

Среди множества приборов, которые позволяют получать электроэнергию особое место занимают устройства, позволяющие выполнять преобразование тепловой энергии в электрическую. Их основной задачей является прямое преобразование одного вида энергии в другой с минимальным количеством различных промежуточных звеньев. Одновременно, решается задача по увеличению коэффициента полезного действия данного процесса.

Устройство преобразователя

Устройство-преобразователь состоит из нагреваемых элементов и генератораэлектрической энергии. Для изготовления нагреваемых элементов используется мягкий магнитный материал, точка Кюри у которого понижена. Он теряет свои магнитные качества при нагреве и обладает фазовым переходом.

Эти элементы входят в магнитную цепь в форме буквы Ф.

В ней имеется один средний и два боковых стержня. Боковые стержни состоят из двух элементов, между которыми находятся воздушные промежутки. Они примыкают к среднему стержню и относительно него располагаются симметрично по обеим сторонам.

Соединение нагреваемых элементов осуществляется с помощью жесткой планки. Она устанавливается на шарнире, расположенном с краю среднего стержня по оси симметрии. Когда планка изменяет свое положение, нагреваемые элементы по очереди перемыкают воздушные промежутки боковых стержней.

В воздушных промежутках располагается теплопровод, с помощью которого подводится тепло от нагревателя. При отсутствии перемыкания воздушных промежутков, происходит соприкосновение нагреваемых элементов с охладителем. В среднем стержне имеется обмотка возбуждения, питающаяся от постоянного тока, генерирующие обмотки генератора располагаются на боковых стрежнях.

Практическая работа преобразователя

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется по определенной схеме. Когда питание подается к обмотке, происходит возникновение магнитного потока, расходящегося по боковым стержням.

Подвижный элемент притягивается к боковому стержню и замыкает необходимый воздушный зазор. Происходит возрастание магнитного потока, при этом, нагреваемый элемент попадает под влияние теплопровода. Он нагревается до определенной температуры, при которой происходит потеря магнитных свойств.

Подвижный элемент притягивается к зазору и магнитная цепь бокового стержня замыкается.Таким образом, в одном из боковых стержней магнитное поле растет, а в другом оно падает. Этот процесс неоднократно повторяется.

Конечным результатом всех этих действий является электроэнергия. Ее количество и мощность полностью зависят от того, с какой скоростью подается тепло и охлаждение. От этого же зависти и КПД всей системы.

Физические источники тока

Этовозможно при условии, если температуратеплоносителя достигает более 1500.

Существуетдва способа преобразования тепловойэнергии в электричество:

    Пар направляется по трубам в турбины, которые соединяются с электрогенераторомПар предварительно очищается перед попаданием в трубы, далее направляется к турбинам.

Геотермальнаястанция – это те же тепловые электростанции,в которых роль котла или ядерногореактора взяли на себя естественныеподземные источники тепла.

Энергия ветра

Ветер– это преобразованная солнечная энергия.

Солнечныелучи прогревают Землю, а отраженные –воздух. Интенсивность прогреваниявоздуха увеличивается с понижениемвлажности почвы. Так воздух в пустынеполучает от раскаленного песка в 130 разбольше тепла, чем от поверхности океанатой же широты.

Перемещениевоздушных масс происходит в вертикальномнаправлении под действием силы притяженияЗемли (более холодный стремится вниз,а теплый – наверх) и в горизонтальномнаправлении ( направление перемещениявоздушных масс зависит от неравномерностипрогрева земно поверхности).

Преобразованиеветровой энергии в электрическую.

Поднапором ветра вращается ветроколесо слопастями, передавая крутящий моментчерез систему передач валу генератора,вырабатывающий электроэнергию. Чембольше диаметр ветроколеса, тем большевоздушный поток, который захватываетсяи тем больше энергии вырабатывается.

Положительныйэффект:

Недостаток:

    Низкое КПДНебольшая мощностьШумВибрацияЗанимает большие площади

Приливная энергетика

Используетсяэнергия приливов и отливов Мировогоокеана.

Двараза в сутки уровень в океане топоднимается, то опускается. Это происходитпод действием гравитационных сил солнцаи луны, которые притягивают к себе водыокеана.

Уберега разность уровней воды приливаи отлива достигают более 10 метров. Еслив заливе на берегу моря, в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилищеможно создать запасы воды во времяприливов. А при отливе воду пропускаютчерез гидротурбины, в результате энергияпреобразуется в электрическую.

Недостатки:

    Дороговизна строительстваНеравномерность выработки электроэнергии

Солнечная энергия

Преобразованиесолнечной энергии в электрическуюпроисходит с помощью:

    ТурбогенераторовСолнечных элементов

Однаков обоих случаях необходимо иметьсобирающее устройство солнечной энергии,которое бывает в виде плоского иливогнутого зеркала. Температура наповерхности зеркала достигает более30000.

Воснову солнечной батареи входят кристаллыкремния, которые покрыты тончайщийпрозрачным для света слой металла.

Потомсолнечных фотонов проходит сквозь слойметалла и выбивает электроны из кристалла.Эти электроны концентрируются наповерхности металлов. Между слоемметалла и кристаллом кремния возникаетразность потенциалов.

Приусловии соединения 1000 фотоэлементовпараллельно – получится солнечнаябатарея, способная питать электроэнергиейпомещение.

Будущее:

Энергетика морских течений

Морскиетечения Гольфстрим, Куросио несут всекунду 83 и 55 миллионов кубическимметров воды соответственно. В настоящеевремя разрабатываются проекты использанияэтой энергии.

Как сделать стену из гипсокартона своими руками

сложные перегородки из гипсокартонаВ этом разделе все о гипсокартоне от А до Я, вы научитесь, как правильно сделать перегородку из гипсокартона далее…

Как разместить светильники на натяжном потолке

Как разместить светильники на потолке.25264 просмотровБольшинство комнат в квартирах Республики Беларусь, как правило освещает одна люстра, установленная по центру потолка. Изредка далее…

Утеплитель для труб в земле

Способы утепления водопроводных труб в землеОглавление: [ скрыть ]Как правильно утеплить водопроводные трубы, если на даче или в частном далее…

Что такое форсаж дуги на сварочном инверторе(16)

Какие потолки лучше глянцевые или матовые(10)

Стружкоотсос своими руками из улитки(8)

Общая площадь дома что входит(7)

Почему генератор выдает низкое напряжение(7)

Как поднять участок на даче(7)

Леруа мерлен поддоны для душа(5)

Вентиляция с естественным побуждением это(5)

Какие люстры подходят для натяжного потолкаПо каким критериям выбрать люстру для натяжного потолка?СодержаниеРазнообразие Какие потолки лучше глянцевые или матовыеКакой натяжной потолок выбрать? (матовый, глянцевый или сатиновый)Вы приняли решение установить Каким валиком лучше красить потолокКак правильно красить валиком потолокЕсли вы задались вопросомКак Как заделать дырку в потолкеРемонт потолка своими рукамиНатяжной потолокОтштукатуренный потолокГипсокартонный потолокЕсли у вас вдруг Как визуально сделать потолок вышеКак сделать низкий потолок визуально вышеВ большинстве типовых квартир и частных

Реконструкция старого фундаментаВ ходе эксплуатации здания может возникнуть необходимость в усилении…

Как скомбинировать обои для кухни?Одним из оригинальных дизайнерских приемов, с помощью…

Утепление стен внутри дома: достоинства и недостаткиУтепление стен внутри дома похоже…

Источники:

  • cyberleninka.ru
  • electric-220.ru
  • studfiles.net
  • www.sferatd.ru

Поделиться:
Нет комментариев