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

§ 5.6

Удельная мощность ТЭЭЛ

Объем и вес термоэлектрической батареи существенно зависят от плотности теплового потока через термоэлементы. Чем большее количество тепла подается на 1 см2 горячего спая и снимается с хо­

лодного спая, тем меньше размер и вес батареи при данной мощности. Если условно принять высоту ТЭЭЛ по ТЭМ 0,5 см, то можно,

как указывает Е. К- Иорданишвили, приближенно оценить мощ­ ность на 1 см2 суммарного сечения ветвей ТЭЭЛ и на 1 кг веса

ТЭМ.

Ниже приведены значения удельной мощности для некоторых ■термоэлектрических материалов.

Следует иметь в виду, что удельные мощности, указанные вы­ ше, относятся к самим ТЭМ, вне связи их с остальными элемента­ ми конструкции ТЭЭЛ.

Как было указано в гл. 3, мощность, развиваемая термопарой, не зависит от объема ее ветвей, если невелики контактные сопро­ тивления. Например, термопара с длиной ветви 100 мм и сечением 100 мм2 при отсутствии контактных сопротивлений могла бы быть заменена термоэлементом длиною 1 мм, сечением 1 мм2, т. е. осу­

ществлена с затратой в 104 раз меньшего количества ТЭМ. В реаль­ ных термоэлементах размеры ветви ограничиваются электрическим сопротивлением контактов, подводом и отводом тепла и потерями температурного градиента в контакте. Это влияние особенно замет­ но для термоэлементов с большой теплопроводностью материала ветвей.

Потеря электрической мощности в контакте может сильно влиять на общую эффективность термобатареи [42]. Пусть энергети­ ческие потери в контакте составляют QK = Р (C/S), где C/S — сопротивление контакта, ом ■см2. Это тепло уменьшает количество

энергии, подводимой к горячему концу термопары, и увеличивает количество тепла, отводимого от холодного конца. С учетом этих потерь полезная электрическая мощность составит

W" = 2 (а / (Гг— Гх) — / 2 р (//S) — j t

где СГ и Сх — соответственно омическое сопротивление горячего

и холодного контактов и S — площадь контакта. Электрические потери в контактах особенно заметно влияют на к. п. д. термоэле­ мента, если собственное сопротивление последнего мало и потери в контакте составляют значительную долю величины омического сопротивления термоэлемента.

106

Для получения максимальной мощности на единицу веса (с уче­ том контактных сопротивлений) можно оценить оптимальную длину термоэлемента для заданного отношения Us и значений Сг и Сх.

Для этой цели указанное выше уравнение надо выразить через функцию мощности на единицу веса материала и приравнять к ну­ лю производную по объему термоэлемента.

Длина ветви /0, обеспечивающая максимальную мощность на еди­ ницу веса термоэлектрика, выразится так

/0 = 3 [/ (//s) (Сг + Сх)]/2 [а (Тг — Тх) — /р {Us)].

Возможность значительного уменьшения объема ветвей ТЭЭЛ исследовалась в работе [42].

Важная особенность ТЭЭЛ — независимость их мощности (по крайней мере принципиальная) от размеров ветвей — расширяет возможности использования ТЭГ при создании компактных конст­ рукций и экономии термоэлектриков. Однако применение миниа­ тюрных ТЭЭЛ осложняется сопротивлением контактов, подводом тепла и требует специальной разработки.

К попыткам использования миниатюрных ТЭЭЛ относятся раз­ работки японских авторов [43]. Так, запатентован ТЭГ из 138 ТЭЭЛ размером 8 X 27 X 2,5 мм. Объем ТЭЭЛ из висмута, сурьмы и теллура 2 мм? ( 1 x 1 x 2 мм), ТЭДС 220—230-10-6 в/град. Для

улучшения теплоотдачи, помимо теплового излучения, предусмат­ ривается охлаждение испаряющейся жидкостью.

§ 5.7

Надежность работы батареи ТЭЭЛ

Надежность работы ТЭГ оценивается как вероятность без­ аварийной работы установки в течение определенного времени, например ее срока службы. При оценке пригодности и перспектив­ ности, особенно автономной термоэлектрической установки, надеж­ ность играет первостепенную роль, поскольку выход из строя авто­ номной морской или космической энергоустановки может иметь серьезные последствия.

Как известно, наука о надежности работы установок сложи­ лась в результате использования в промышленной практике много­ элементных систем, например, электронных систем самолетов, вы­ числительных машин, судовых систем, включающих сотни тысяч отдельных элементов [44]. Термоэлектрические генераторы содер­ жат обычно сотни и тысячи ТЭЭЛ и еще большее количество спаев и соединений, каждый из которых может быть причиной нарушения работы ТЭГ. Поэтому работа ТЭГ должна оцениваться с точки зрения надежности в эксплуатации [45].

Необходимая надежность работы установок обеспечивается мероприятиями, предусмотренными в процессе разработки, изго­ товления, монтажа и испытания элементов и установки в целом.

107

ГЛАВА 6

ТЭГ НА ХИМИЧЕСКОМ (ОРГАНИЧЕСКОМ) ТОПЛИВЕ,

СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ И НЕКОТОРЫХ ДРУГИХ ИСТОЧНИКАХ ТЕПЛА

§ 6.1

Общая часть

Важным моментом, определяющим многие особенности устано­ вок ТЭГ, является выбор источника тепла (или типа топлива). Ис­ точник тепла определяет конструкцию, а часто и сферу применения термоэлектрических установок. Так, использование атомной энер­ гии (ядерных реакторов) связано с дорогостоящей начальной за­ грузкой ядерного горючего, тяжелой защитой от излучений, но эти источники тепла (а также радиоактивные изотопы) могут работать в космосе и под водой.

Мощность радиоизотопных тепловых блоков понижается с тече­ нием времени и не поддается непосредственному регулированию; кроме того, требуется защита от излучений. ТЭГ на распространен­ ном твердом органическом топливе (уголь, дрова) нуждаются в до­ полнительном обслуживании для удаления золы и загрузки топ­ лива.

Жидкое топливо (керосин, мазут) значительно удобнее, так как не имеет этих недостатков твердого топлива. Еще удобнее работать с газообразным топливом. Использование ТЭГ на солнечной энер­ гии связано с получением электроэнергии главным образом в днев­ ное время и то не во всех районах Земного шара.

Низкопотенциальные источники тепла (горячая вода и т. п.) пригодны для ТЭГ с очень низким к. п. д. и малой удельной мощ­ ностью.

В настоящее время наибольшее развитие получили термоэлект­

тысяч таких ТЭГ серийно выпускались в Советском Союзе и в дру­ гих странах. Но приоритет в развитии теории и промышленного производства ТЭГ на химическом топливе принадлежит СССР

[1].

Эти термоэлектрические генераторы, обычно мощностью до 0,1— 1 кет (редко больше) использовались для питания радиопри­

емников и радиопередатчиков в установках катодной защиты тру­ бопроводов, для подпитки батарей телефонных линий и т. д., а так­ же в военном деле.

109

§ 6.2

ТЭГ на твердом топливе

В в е д е н и е . Еще в 1940— 1941 гг. изучение полупровод­ ников в Ленинградском физико-техническом институте АН СССР

достигло такого уровня, что оказалось возможным создание первого полупроводникового ТЭЭЛ. Однако дальнейшие работы по внедре­ нию в полупромышленное производство таких ТЭГ в связи с войной были отложены. Вместе с тем, для выполнения насущных задач военного времени оказалось необходимым разработать ТЭГ для пи­ тания радиопередатчиков малой мощности. Первые в мире ТЭГ

Рис. 6.1. ТЭГ-1 («партизанский котелок»).

на полупроводниках появились в СССР во время Великой Отечест­

Схема конструкции ТГ-1 весьма проста. Несколько десятков ТЭЭЛ из SbZn и константана монтировали в дне специального сосуда, который наполняли водой и ставили на костер. Кипящая вода определяла температуру холодных спаев ТЭЭЛ, а более горячее (250—300° С) дно котелка определяло температуру горячих спаев. Мощность такого электрогенератора была невелика, а к. п. д.

вательские организации СССР начали разработки по созданию ТЭГ как автономных источников постоянного тока для питания

110

радиоприемников в неэлектрифицированных районах. Тогда, как указывает один из участников работ А. Н. Воронин, были созданы ТЭГ, работающие на древесном угле и охлаждаемые водой или воз­ духом. На рис. 6.2 и 6.3 показаны конструктивные схемы этих ТЭГ. Их основные характеристики указаны в табл. 6.1.

Рис. 6.2. ТЭГ с водяным охлаждением:

ТЭГ с нагревом горячих спаев за счет сжигания древесного угля и охлаждением холодных спаев кипящей водой (см. рис. 6.2) имеет чугунную топку 6, в которой происходит горение угля, загружае­

111

мого в бункер 4 через горловину 1. Продукты сгорания уходят через трубу 2. В пространстве между внутренним кожухом 3 и наружным кожухом 5 находится кипящая вода, которая поддерживает тем­ пературу холодных спаев ТЭЭЛ около 100° С. Термоэлементы 8

Рис. 6.3. ТЭГ с воздушным охлаждением:

электрически изолированы от конструкции установки тонкими слоями слюды. Тепловой контакт между кожухом 3 и ТЭЭЛ осущест­

вляется легкоплавким сплавом, залитым между ними.

В ТЭГ имеются две независимо работающие батареи ТЭЭЛ: одна для питания цепей накала, другая — для питания (с помощью вибропреобразователя) анодных и сеточных цепей. Недостатки такого ТЭЭЛ: сложность осуществления теплового контакта между

112

ТЭЭЛ и холодильником, наличие кипящей воды и трудность управ­ ления угольной топкой.

В связи с этими недостатками был создан ТЭГ на угле с воздуш­ ным охлаждением (см. рис. 6.3). Здесь охлаждение спаев ТЭЭЛ осуществляется ребрами радиатора, прижатыми через свинцовую прокладку к блоку из ТЭЭЛ. Другие узлы конструкции этого ТЭГ — лишь некоторое усовершенствование узлов ТЭГ с охлаж­ дением кипящей водой. Для обеспечения стабилизации сжигания угля применена автоматическая заслонка, приводимая в действие биметаллической спиралью. Использование в ТЭЭЛ константана соз­ дало возможность улучшить коммутацию и получить блоки из не­ скольких скоммутированных ТЭЭЛ. Применение указанных ТЭМ и новой технологии изготовления ТЭЭЛ дало возможность увели­ чить срок службы ТЭГ.

Т Э Г н а д р о в а х и у г л е . Дальнейшее развитие ТЭГ на твердом топливе привело к созданию еще нескольких моделей более крупных ТЭГ мощностью до 500 вт и более. Эти агрегаты пред­

ставляли собой печи, использующие уголь или дрова, с термобата­ реями, вмонтированными в стенки [3].

В качестве примера приведем генераторы, разработанные для Дальнего Севера на 200 и 500 вт, работающие на любом топливе — дровах, угле, нефти. Генератор мощностью 200 вт потреблял около 2 кг дров за 1 ч.

Институт полупроводников АН СССР совместно со Всесоюзной ордена Ленина Академией сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина (ВАСХНИЛ) разработали для сельского хозяйства ТЭГ на дровяном топливе мощностью 1 кет. Он предназначался

для получения электроэнергии, горячей воды или пара, используе­ мых в животноводстве [5]. Однако работа ТЭГ на угле неустойчи­ ва из-за трудностей обеспечения равномерной подачи топлива. Очередной пуск ТЭГ требовал предварительной чистки топки, вы­ ход на мощность занимал много времени и т. п. Поэтому дальней-

113

ля (91 /о) с молибденом (9%). Выходное напряжение генератора 6 в.

Эта схема очень напоминает схему ТЭГ-1, но в другом конструк­ тивном исполнении: с металлическими ТЭЭЛ и заменой костра спир­

1Э1 на керосине основаны на применении в качестве источника теп - ла обычных осветительных керосиновых ламп и наряду с получением электроэнергии являются источниками света. С 1953 г. промышленность СССР начала массовый выпуск генераторов типа ТГК-3 15J. Конструктивные схемы ТГК-1, ТГК-3 и ТГК-2-2 одинаковы:

т1СопЛеННс1%Пр0ДуКТЫ СГ0Рания керосина нагревают горячие спаи ас)Л из SbZn и константана, холодные спаи имеют ребра воздуш­

.114

На рис. 6.5 показана конструкция ТЭГ ТГК-1. Источником тепла является 10-линейная плоскофитильная керосиновая лампа, часть стекла в которой заменена трубой из силумина, к которой

I — труба для вывода продуктов сгорания; 2 — выводы тока; 3 — ребро воздушного охлаждения; 4 — уплотнение; 5 — стяжные кольца; 6 — изо­ ляция из слюды; 7 — ТЭЭЛ; 8 — прижимная планка; 9 — теплоизоляция; 10 — стяжной болт; 11 — труба с внутренними ребрами (горячий кол­ лектор).

прижимаются ТЭЭЛ. Силуминовая труба, от которой нагреваются ТЭЭЛ, имеет внутренние перегородки (ребра), служащие для уве­ личения поверхности, омываемой горячими газами. Блоки термоэле­ ментов расположены вертикально, по шести граням силуминовой трубки. Охлаждение ТЭЭЛ осуществляется воздухом с помощью

115