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

Б. С. ПОЗДНЯКОВ, Е. А. КОПТЕЛОВ

ТЕРМО­ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1974

УДК 621.362 : 621.311

В книге освещается история развития термоэлектри­ ческого метода прямого преобразования тепловой энер­ гии в электрическую и дается инженерный обзор состоя­ ния этой проблемы в настоящее время. Характеризуется физика термоэлектрических явлений и описываются спо­ собы расчета термоэлементов. Приводится таблица ха­ рактеристик большого количества термоэлектрических материалов. Указываются существенные конструктивные особенности термоэлектрических батарей. Описываются конкретные конструкции термоэлектрических генераторов на твердом, жидком и газообразном топливе, на изотоп­ ных источниках тепла и с ядерными реакторами.

Рисунков 120. Таблиц 47. Библиография 259 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В условиях современного широкого использования электри­ ческой энергии традиционные способы получения электричества с помощью паросилового цикла не могут в достаточной мере удов­ летворить растущие потребности. Возникший в связи е этим инте­ рес к методам прямого преобразования тепловой энергии в электри­ ческую привел к изучению и разработке термоэлектрических и тер­ моэмиссионных генераторов, МГД-установок и других систем.

В этой книге рассматриваются термоэлектрические методы пря­ мого получения электрического тока. Термоэлектрические генера­ торы обладают специфическими особенностями, делающими их незаменимыми во многих случаях. К таким особенностям относится отсутствие движущихся частей, что, в частности, допускает исполь­ зование более высоких температур цикла. Нет также необходимости в применении высоких давлений жидкостей или газов в основной схеме, поскольку цикл осуществляется посредством явлений, происходящих в самом термоэлектрическом материале. Термо­ электрические генераторы можно использовать при больших и малых перепадах температур, а также при низких и высоких температурах, т. е. термоэлектрический цикл универсален, он допускает использование практически любых источников тепла.

Расход термоэлектрических материалов может быть небольшим, так как к. п. д. термоэлемента теоретически не зависит от разме­ ров, но связан со способами подвода тепла, с контактными сопро­ тивлениями и другими конструктивными особенностями. Управ­ ление термоэлектрическим генератором может быть сведено только к регулированию подачи топлива, так как в принципиальной части схемы нет машин и механизмов. Это облегчает создание автомати­ чески работающих электростанций.

Термоэлектрические явления были открыты в первой половине прошлого века. Однако они не получили тогда применения в энер­ гетике из-за низкой тепловой экономичности.

В настоящее время применение полупроводников и слоистых термоэлементов может обеспечить использование тепла с к. п. д. до 10—20% и более. Существенный вклад в развитие термоэлектри­ ческого метода внесли советские ученые.

3

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

И СОКРАЩЕНИЯ

ППТЭ — прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. ТЭГ — термоэлектрический генератор (включая термоэлектрические эле­

менты, подвод к ним тепла и охлаждение).

ТЭЭЛ — термоэлектрический элемент (две ветви), термопара. Батарея ТЭЭЛ — группа соединенных непосредственно ТЭЭЛ.

Каскадный ТЭГ (или каскадная батарея) — ТЭГ или батарея ТЭЭЛ, в которых часть ТЭЭЛ получает тепло от холодных концов дру­ гой части ТЭЭЛ.

Слоистый ТЭЭЛ — термоэлектрический элемент, в котором ветви имеют

л— коэффициент Пельтье, в.

х— коэффициент Томсона, в/град, Е — разность потенциалов, в.

I — электрический ток, а.

р — удельное электрическое сопротивление, ом-см.

5

Г Л А В А 1

ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ

История изучения термоэлектрических явлений насчитывает немногим более 200 лет. Первой научной работой в этой области можно считать исследования, выполненные петербургским акаде­ миком Ф. Эпинусом в 1762 г. Он продолжил работы, проводившиеся

появление свободного магнетизма, заключавшееся в том, что в цепи, состоящей из нескольких спаянных между собою различных мате­ риалов, при нагревании и охлаждении соответствующих спаев по­ является электрический ток [3, 4]. Зеебек на большом количестве различных материалов сопоставил воздействие на магнитную стрел-

7

ку проводников, спаянные концы которых имели разные темпера­ туры, и составил обширный термоэлектрический ряд. Измеренные Зеебеком значения ТЭДС материалов в общем соответствуют сов­ ременным данным.

Первые термоэлектрические батареи построили Эрстед и Фурье (1823 г.) [5,6]. Батарея Эрстеда и Фурье состояла из висмутовых и сурьмяных палочек, спаянных между собою (рис. 1.2). Один спай висмута с сурьмой нагревался до 200° С с помощью горелок, а дру­ гой охлаждался в результате погружения в лед конца висмутовой пластинки. Так получилась батарея последовательно соединенных термоэлементов с чередующимися холодными и горячими спаями

(см. рис. 1.2) [6J.

Рис. 1.2. Первая термоэлектрическая батарея Эрстеда и Фурье.

В 1834 г. часовщик Пельтье опубликовал статью о температур­ ных аномалиях, наблюдаемых вблизи границы двух различных проводников при прохождении через них электрического тока [3, 7].

Однако природа этих явлений была выяснена позднее в резуль­ тате опытов, проведенных в 1838 г. академиком Российской Акаде­ мии наук Э. X. Ленцем. В углубление на стыке стержней из висмута и сурьмы Ленц поместил каплю воды, которая замерзала при про­ хождении тока в одном направлении и таяла при противоположном направлении [3]. После этих опытов стало ясно, что при прохожде­ нии электрического тока на стыке двух разнородных проводников выделяется или поглощается тепло в зависимости от направления тока. Это явление, впервые обнаруженное Пельтье, получило название эффекта Пельтье [3, 8, 9].

В 1854 г. У. Томсон (лорд Кельвин) опубликовал предложенную им теорию термоэлектрических явлений, основанную на принци­ пах термодинамики [10]. Он показал связь явлений Зеебека и Пе­ льтье и необходимость (тогда еще не открытую) поглощения или выделения тепла вдоль проводника с током, имеющего градиент температуры. Это термоэлектрическое явление было эксперимен­ тально продемонстрировано Леру в 1867 г. и известно теперь как

эффект Томсона [11].

* Профессор Киевского университета М. П. Авенариус исследо­ вал зависимость ТЭДС от температуры и показал, что для многих термопар ТЭДС изменяется с температурой по параболическому

8

Позднее были уточнены некоторые константы и предложены диаграммы для определения ТЭДС, построенные в соответствии с формулами Авенариуса, исходя из того, что ТЭДС пары металлов равна разности ТЭДС пар, полученных при соединении каждого из металлов порознь с произвольным третьим материалом, при тех же температурах.

Вконце семидесятых годов прошлого века Беккерель создал высокотемпературную термоэлектрическую батарею из сернистой меди (температура плавления более 1000° С) в паре с мельхиором, дававшую большую ТЭДС.

В1886 г. Ле-Шателье предложил тугоплавкий термоэлемент из платины с платинородием для измерения высоких температур. Различные термопары для измерения температур в настоящее вре­ мя широко применяются в промышленности и в науке.

В1879 г. физик Холл открыл явление, получившее название эффекта Холла и заключающееся в отклонении магнитным полем

электронов в проводнике с током перпендикулярно направлению

в магнитном поле и имеющем градиент температуры. Здесь возни­ кает поперечная разность потенциалов и поперечная разность темпе­ ратур, продольная разность потенциалов и температур — эффекты Нернста — Эттингсгаузена, Маджи, Риги—Ледюка [13]. В 1936 г.

советский физик И. К- Кикоин показал, что электродвижущая сила эффекта Холла определяется не вектором напряженности магнит­ ного поля, а вектором намагничивания проводника [10].

*В 1885 г. лорд Рэлей поставил задачу о термоэлектрическом ге­

тогда использование ТЭГ казалось неперспективным.

В1893 г. русский астроном В. К- Церасский построил первый солнечный термоэлектрический генератор. Термоэлементы были изготовлены из сплава цинка с сурьмой (положительная ветвь) и нейзильбера (отрицательная ветвь). Генератор приводил в действие электрический звонок. Подробное сообщение об этом устройстве было опубликовано в «Русском астрономическом календаре» [14].

ВВосьмидесятые и девяностые годы проблему термоэлектри­ ческих устройств изучали многие исследователи в России. Среди них П. И. Бахметьев, В. В. Скобельцын, Б. Л. Розинг, О. Д. Хвольсон и др. В те годы маломощные термоэлектрические генераторы

применялись в небольшом количестве (главным образом в гальва­ нотехнике).

К числу наиболее распространенных в Австрии и Германии батарей для гальванотехники относится ТЭГ, предложенный Ноэ. В этой батарее каждая из двух газовых горелок нагревала по двад­ цать ТЭЭЛ из мельхиора или нейзильбера (отрицательная ветвь) и сплава сурьмы и цинка (положительная ветвь). Тепло к горячим спаям подводилось с помощью медных стержней, нагреваемых га­

9