9.2.      Термоэлектрические генераторы

Термоэлектричрский генератор (ТЭГ) – это полупроводниковое термоэлектрическое устройство, состоящее из полупроводникового термоэлектрического блока и предназначенное для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.

Эффективностью или добротностью термоэлемента называют величину:

,                                               (9.4)

где  – удельные теплопроводности ветвей,  – удельные сопротивления ветвей.

У термоэлементов из металлов или сплавов (термопар) значение эффективности Z мало из-за низкого коэффициента термо-ЭДС и боль­ших значении удельной теплопроводности. У термоэлементов из диэлектрических материалов эффек­тивность (Z) мала из-за больших значений удельного сопротивления. У термоэлементов из материалов со средней концентрацией носителей заряда, что соответствует полупро­водниковым материалам, эффективность достигает максимально­го значения. Поэтому полупроводниковые термоэлементы эконо­мичнее металлических термопар. Максимум эффективности (Z), как показывают расчеты, лежит в диапазоне концентраций носи­телей заряда (2…3)^.10¹⁹ см ^-3. Такие концентрации на три порядка меньше концентрации носителей заряда в металлах.

КПД термоэлектрического генератора, т.е. отношение полезной мощности, выделяемой в нагрузке генератора, к количеству теплоты, поступающей в единицу времени на теплопоглощающие спаи, зависит от следующих факторов:

1) эффективности термоэлемента (Z);

2) разности температур спаев термоэлемента;

3) отношения сопротивления нагрузки к сопротивлению термоэлемента.

Коэффициент термо-ЭДС большинства термоэлементов () составляет 300…500 мкВ/К. Учитывая, что почти все термоэлектрические генераторы работают при разности темпера­тур спаев, не превышающей 600 К, от одного термоэлемента можно получить термо-ЭДС 0,3 В. При этом оптимальные условия получения электрической мощности на нагрузке достигаются при сопротивлении нагрузки, сравнимом с сопротивлением термоэлемента, т.е. около нескольких миллиом. Для получения приемлемых напряжений и для согласования с реальными нагрузочными сопротивлениями необходимо последо­вательное соединение многих термоэлементов.

В большинстве термоэлектрических генераторов (ТЭГ) полу­проводниковая термобатарея представляет собой плоскую конст­рукцию, состоящую из нескольких десятков термоэлементов (рис. 9.3). По форме термоэлементы могут быть разнообразны­ми в зависимости от конструктивных особенностей источника тепловой энергии. Наиболее распространены термоэлементы из ветвей в виде параллелепипедов с различными соотношениями токового сечения и токовой высоты.

Соединение отдельных ветвей между собой металлическими контактными пластинами должно быть сделано так, чтобы кон­тактные сопротивления были намного меньше сопротивления ветвей термоэлемента. Иначе кон

тактные сопротивления могут уменьшить эффективность термоэлемента из-за увеличения общего сопротивления термоэлемента при неизменном значении термо-ЭДС.

В качестве источников тепловой энергии в ТЭГ применяют атомные реакторы, источники теплоты с радиоактивными изотопами, используют химические реакции горения и тепловую энер­гию, излучаемую Солнцем.

В настоящее время существуют три основные области приме­нения термоэлектрических генераторов:

1) для катодной защиты магистральных газо- и нефтепроводов от коррозии;

2) для пита­ния электрической энергией космических аппаратов;

3) для пита­ния электрической энергией навигационных и метеорологических установок.