СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2016

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2016 Термоэлектрические генераторы промышленного применения Часть 1 Термоэлектричество – это уникальное физическое явление, позволяющее преобразовывать тепловой поток в электрическую энергию. В статье описаны конструкции и параметры генераторных модулей и термоэлектрических генераторов. В первой части представлены базовые термоэлектрические эффекты, а также термоэлектрические генераторные модули (ТГМ) – выбор, особенности установки и результаты испытаний. Пётр Шостаковский (Санкт-Петербург) + – – – + + 2 1 Δ x dT/dx E t Важность физического явления, называемого термоэлектричеством, необоснованно занижена в силу уско- ренного развития альтернативных спо- собов получения электрической энер- гии. Однако в последние годы термо- электрические генераторы всё чаще применяются в качестве основных или дублирующих источников элек- троэнергии. Отсутствие движущихся частей обеспечивает уникально высо- кий уровень надёжности (до 25 лет экс- плуатации) при минимальном обслу- живании. Несмотря на очевидные преимуще- ства, термоэлектричество обеспечива- ет преобразование тепловой энергии в электрическую с КПД не выше 8%. Это не представляет собой ограничение, если основным назначением тепло- вой энергии является обогрев (суммар- ный КПД в этом случае равен 100%), или используется тепловая энергия, отводи- мая от различных механических и элек- трических устройств (например, двига- телей). В этом случае КПД генератора добавляется к КПД устройства. Важнейшим преимуществом термо- электрических генераторов является то, что они вырабатывают постоянный ток с напряжением от единиц вольт и мощностью от милливатт до сотен ватт, который требуется подавляюще- му большинству современных элек- тронных устройств. Такому диапазону идеально соответствуют автономные источники питания на основе тер- моэлектрического эффекта. Сегодня термоэлектрическая генерация зани- мает нишу уникальных приложений, для которых применение стандарт- ных источников электрической энер- гии затруднительно или невозможно. Б АЗОВЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ Термоэлектричество возникает в ме- таллах и полупроводниках при нали- чии градиента температур. В настоя- щее время известны три термоэлек- трических эффекта: Томсона, Зеебе- ка и Пельтье. Упрощённое описание эффекта Томсона В металлах выход электрона прово- димости из атомной решётки требует совершения работы по преодолению силы притяжения, действующей на электрон со стороны ядер атомов. Для различных металлов эта работа отли- чается и может иметь положительное и отрицательное значение. Для данно- го проводника работа выхода электро- на зависит от его температуры. Разная температура в различных частях про- водника приводит к разной концентра- ции электронов и, как следствие, к объ- ёмной разности потенциалов. Этот эффект носит имя его открывателя – Уильяма Томсона (лорда Кельвина). Если на участке проводника меж- ду точками 1 и 2 (см. рис. 1) создать разность температур Т1 = Т2 +  Т и поддерживать градиент темпера- туры постоянным, то через прово- дник будет идти постоянный поток тепла. В металлах перенос тепла осу- ществляется в основном движением электронов проводимости. Возника- ет диффузионный поток электронов, направленный против градиента тем- пературы (от 1 к 2). В результате кон- центрация электронов на горячем конце уменьшится, а на холодном увеличится. Внутри проводника воз- никнет электрическое поле E t , приво- дящее к перераспределению концен- трации электронов и появлению раз- ности потенциалов. Для металлов на отрезке образца металла 1–2 термо- ЭДС Томпсона E t направлена навстре- чу градиенту температуры dT/dx. Термоэлектрический эффект Томсо- на имеет объёмный характер и относи- тельно слабое физическое проявление. Это определяет отсутствие его техни- ческих применений. Данный эффект учитывается только в относитель- но точных расчётах термоэлектриче- ских устройств. В рамках данной статьи описание эффекта Томпсона позволя- ет упростить объяснение другого тер- моэлектрического эффекта – эффек- та Зеебека. Эффект Зеебека Прежде чем приступить к рассмо- трению данного эффекта, необходи- мо вспомнить о физическом явлении контактной разности потенциалов, открытом Алессандро Вольтой. Оно проявляется при контакте двух разно- родных металлов, имеющих различную работу выхода электронов, и заключа- ется в диффузионном обмене электро- нами от металла с большей их концен- трацией к металлу с меньшей концен- трацией электронов. Данный эффект проявляется кратковременно и толь- ко в области контакта двух разнород- ных металлов в момент их соединения. В 1821 г. Томас Зеебек заметил: если соединить два разнородных проводни- ка и поддерживать разную температуру места их соединения (спая) и внешних концов проводников, то за счёт разной концентрации носителей заряда возни- кает разность потенциалов, называемая термоЭДС. Конструкция, состоящая из спая разнородных металлов, называет- ся термопарой (см. рис. 2). Рис. 1. Распределение зарядов в отрезке проводника при наличии градиента температуры