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

управлением магистральных газопроводов по инициативе управле­ ния газопровода Дашава— Киев [13]. Они имеют по одной батарее ТЭЭЛ (ток 1 а при 10— 12 в — ТГГ-10 и 16— 18 в для ТГГ-16)

и работают на газовом топливе. Батареи состоят из отдельных секций. Горячий спай прижат к силуминовому теплопередатчику, холодный — к охлаждающим алюминиевым ребрам. Батарея пред­ ставляет собою цилиндр, в нижней части которого помещена газовая

Рис. 6.11. Схема ТЭГ типа ТГГ-16:

1 — термобатарея; 2 — теплопередатчик; 3 — охлаждающее ребро; 4 — диски теплопередат^ика; 5 — асбестовый фланец; 6 — газо­ вая горелка; 7 — газопровод.

горелка (ПБ-40-4), к которой газ поступает под избыточным давле­ нием около 0,015 атм. В установке ТЭГ имеется электромагнитный

клапан, способный отсекать подачу топлива. Обычно газ подается к ТЭГ от газопроводов, подведенных к домам ремонтников-обход- чиков.

Генератор ТГГ-10 в основном не отличается по принципу дей­ ствия от генераторов общего назначения, в нем лишь вместо керо­ синовой лампы используется газовая горелка. В ТЭГ ТГГ-16 приме­ нен усовершенствованный способ отвода тепла от горячих газов с помощью перфорированных дисков. Схема этого ТЭГ показана на рис. 6.11.

Указанные генераторы разогреваются до рабочей температуры менее чем за 30 мин. Расход газа (7000—8000 ккал/м3) составляет

126

0,1—0,2 м3/ч. Низкий тепловой к. п. д. в этих установках несу­

питания для катодной защиты является ТЭГ-50, созданный в 1954 г. А. Н. Ворониным с сотрудниками в Институте полупроводников АН СССР (Ленинград). Другой, еще более мощной моделью явля­

от 4 до 24 в. Топливом для горелок служит газ, подаваемый через

редуктор из баллонов или прямо из газопровода. В каждой бата­ рее имеется своя горелка инфракрасного горения, керамическая насадка, блок ТЭЭЛ и ребра охлаждения, термопара и электромаг­

вдругих странах.

Всередине пятидесятых годов одна из западноевропейских фирм

разработала и изготовила ТЭГ на жаропрочных сплавах с газовыми горелками, весом менее 1 кг для питания радиоприемников и пере­

носной радиоаппаратуры в экспедиционных условиях. Мощность этого ТЭГ около 1 вт, газа в одном баллоне весом 4 кГ хватало на

150 я работы [7].

127

В США первый ТЭГ на газообразном топливе (пропане) мощ­ ностью Ъвт для промышленных целей был выпущен в 1960 г. В даль­

нейшем были созданы ТЭГ на газообразном топливе мощностью 5—250 вт и более для катодной защиты металлоконструкций, для

питания радиоустановок, для освещения служебных вагонов, пере­ носные с удельной мощностью 20 вт!кг — для питания релейных

станций в труднодоступных районах и т. д.

Примером использования ТЭГ малой мощности на газообраз­ ном топливе является установка для подпитки телефонных линий в отдаленных районах [14]. ТЭГ мощностью 1 вт с полупровод­

никовым усилителем вмонтирован в полую опору телефонной линии. Нижняя часть опоры служит хранилищем для топлива — сжижен­ ного газа.

ТЭЭЛ сконструирован в вцде коврика. В нем параллельные прово­ лочки из хромеля и константана переплетены стекловолокном. Кон­ цы каждого термоэлемента по обе стороны коврика скручены вместе, образуя термопары, соединенные последовательно. На концы тер­ мопар, являющиеся горячей стороной, гальваническим способом накладывается толстый слой никеля, а на концы, являющиеся хо­ лодным спаем, — толстый слой меди. Никель хорошо противостоит коррозии при нагреве, а медь как хороший проводник тепла способст­ вует охлаждению холодных концов. Установка смонтирована из нескольких изолированных ТЭЭЛ-ковриков, свернутых в труб­ ки горячими концами к горелке, а холодными — во внешнюю сто­ рону для охлаждения. Такой ТЭГ мощностью 1,25 вт при 25 в

может работать в течение 10 и более лет. Расход газа чрезвычайно мал, так как для работы ТЭГ требуется тепла немногим больше, чем от обычной свечи. Запаса сжиженного газа хватает для работы в течение одного года.

Известен пример, когда для катодной защиты был применен ТЭГ мощностью 6 вт, хотя поблизости подходила линия электропе­

редачи. В этом случае ТЭГ был применен для защиты газопроводной линии длиною 9 км, диаметром 76 мм. Сравнение показало, что использование линии электропередачи, проходившей в 200 м, потре­

бует больших затрат на кабели и выпрямление тока, чем использо­ вание термоэлектрогенератора с отбором в качестве газа из трубо­ провода и сжигание его в горелке [15].

§ 6.5

ТЭГ на солнечной энергии (без концентраторов)

В в е д е н и е . Использование солнечной энергии для непосред­ ственного получения электричества издавна привлекало внимание. Можно считать, что на каждый квадратный метр площади, находя­ щейся на поверхности Земли и ориентированной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1 кет тепловой мощности. Всего на

128

Землю падает световой поток около 1014 кет, из общего количества, излучаемого Солнцем, 4-1023 кет [2].

65 квт-ч электроэнергии, а во Владивостоке, Николаеве около 40—50 квт-ч электроэнергии [16].

В конце XIX века появились публикации описаний первых конструкций ТЭГ, использующих солнечное тепло. К числу первых экспериментальных образцов подобных устройств относится солнеч­ ный ТЭГ русского астронома В. К- Церасского, построенный в середине девяностых годов XIX века, который приводил в дей­ ствие звонок при освещении ТЭЭЛ солнечными лучами [2].

С о л н е ч н ы е Т Э Г м о щ н о с т ь ю д о \ вт {с п л о ­

с к и м и с т е к л а м и ) . В районах с мощной солнечной ради­ ацией (около 1100 кал! (ч- см2) и обилием солнечных дней могут

использоваться простейшие ТЭГ с плоскими стеклами («горячие ящики»). Ящик, в котором находятся обращенные к солнцу горячие спаи ТЭЭЛ, накрывают одним, двумя и даже тремя стек­ лами с небольшими воздушными промежутками (1—3 см) между

ними. Таким образом, горячие спаи ТЭЭЛ, нагреваясь непосред­ ственно солнечными лучами (в меру прозрачности стекол, которая может быть 70—95%), вместе с тем защищены от охлаждения изо­ лированными воздушными слоями между стеклами.

Подробные результаты изучения некоторых моделей солнеч­ ных ТЭГ с плоскими стеклами опубликованы М. Телкес в 1954 г. (США) [17]. Испытывались следующие материалы для этого ТЭГ: хромель и Константин; 86,7% Bi + 8,6% Sb и 91% Bi + 9% Sb; ZnSb (Sn, Ag, Bi) и Константин; ZnSb (Sn, Ag, Вi) и 91 % B i-f 9% Sb.

Наибольший к. п. д. ТЭГ с применением указанных материалов около 0,6%. В табл. 6.5 приведены характеристики солнечных ТЭГ с двумя плоскими стеклами и 25 ТЭЭЛ из ZnSb и Bi и хромеля и константана при температуре горячего спая около 80° С.

сплоскими стеклами является опытный ТЭГ, описанный в работе

[18].Эта установка имеет поверхность нагрева около 16 мг. Прием­

ники тепла в этой установке — квадраты из алюминия, покрытые двумя слоями стекла с зазором между ними. Висмут-теллуровые

ная сторона ТЭЭЛ охлаждается воздухом. Температура холодных спаев на 20—25% выше окружающего воздуха. Ящики с ТЭЭЛ жестко укреплены на опорной раме, расположенной в направлении восток—запад. Наклон рамы можно регулировать в зависимости от положения Солнца в разные времена года. Электроэнергия около 5,5—7 вт/м2 использовалась для зарядки 24-вольтовой щелочной

аккумуляторной батареи через кремниевые диоды (во избежание разрядки в ночное время и т. п.)

С о л н е ч н ы й Т Э Г д л я к о с м и ч е с к и х ц е л е й (США). ТЭГ, схема которого представлена на рис. 6.12, основан на использовании ТЭЭЛ малых размеров объемом около 2,5 мм3,

размещенных между двумя параллельными пластинами (например, металлической фольги) в количестве около 3000 шт. на 1 м2\ ТЭЭЛ

изолированы от пластин и соединены последовательно-параллельно. В космическом пространстве одна пластина, обращенная к Солн­ цу, нагревается до 300° С, другая (холодные спаи) — при этом имеет температуру около 70° С. Каждый ТЭЭЛ в этой конструкции может производить мощность около 10 мет с к. п. д. около 2%. 1 м2 термоэлектрической панели модели весит 10 кГ и может выдавать приблизительно 30—40 вт/м2 электроэнергии. Изготовлен такой

солнечный генератор для космического корабля в виде кассеты по­ верхностью 30 см2 с 12 рядами ТЭЭЛ, по 12 ТЭЭЛ в каждом ряду. Он характеризовался выдачей 2 вт электроэнергии при нагревании

Солнцем в космическом пространстве [19].

Солнечные ТЭГ с плоскими поверхностями нагрева не позво­ ляют получить хороший к. п. д. ТЭЭЛ (особенно в земных условиях)

130

с концентраторами энергии — большая стоимость самих концентра­ торов. Способы уменьшения этого недостатка разрабатываются как в СССР, так и в других странах. Разработке различных проблем солнечных генераторов посвящено много исследовательских и опыт­ ных работ. В частности, оптимизации параметров солнечных ТЭГ посвящена работа М. Гаибназарова и др. [20J. Влияние линейного распределения теплового потока на эффективность ТЭГ оценено’ Ю. Н. Малевским и др. Советские ученые внесли большой вклад в развитие этой области знаний.

С о л н е ч н ы й Т Э Г с к о н ц е н т р а т о р о м Г У - 2. Опытный ТЭГ ГУ-2 разработан в Энергетическом институте АН СССР имени Г. М. Кржижановского. Термобатарея, образован­ ная 840 ТЭЭЛ из ZnSb и константана, смонтирована вблизи фо­ куса параболического зеркала, имеющего площадь 3 м2 и фокаль­ ное пятно диаметром 30 мм [21]. Испытания этого ТЭГ в 1955—

1956 гг. при разности температур в 400° С (горячий спай при 420,

кало от прожектора диаметром 2 м. Для осуществления поворота

зеркала соответственно положению Солнца применена азимуталь­ но-зенитная схема суточного вращения. Корректирование вращения осуществляется автоматически.

С о л н е ч н ы й Т Э Г м о щ н о с т ь ю 10 вт с к о н ц е н ­

т р а т о р о м . На экспериментальной базе. Энергетического инсти­ тута имени Г. М. Кржижановского АН СССР (Ташкент) в 1959 г. проведены испытания ТЭГ с концентратором диаметром 1 м, являю­ щимся исходной моделью для установки мощностью 1 кет [22]. В ка­

определялась величиной около 0,7-10~3 (граду1. При солнечной радиации 700 ккал/(м2-ч) расчетная мощность 13,6 вт, при тем­

пературе холодных спаев 70° С. При испытаниях для разности температур горячего и холодного спаев 180° С была получена мощ­ ность 10,2 вт.

С о л н е ч н ы й Т Э Г м о щ н о с т ь ю 5 вт с к о н ц е н ­

т р а т о р о м . ТЭГ с концентратором, являющийся моделью более мощной установки, испытан на экспериментальной базе лаборато­ рии гелиотехники Физико-технического института АН Турк­ менской ССР [23].

У этого ТЭГ (рис. 6.13) каждая ветвь 7 ТЭЭЛ припаяна к алю­ миниевому полуцилиндру 8. Два таких полуцилиндра, разделен­ ных электроизоляцией 9, образуют ТЭЭЛ, коммутация ветвей ко­

торого (а также с соседними ТЭЭЛ) осуществляется шинами с теп­ ловыми компенсаторами 5, 10. Нижняя часть ТЭЭЛ с упомянутыми полуцилиндрами вставляется в отверстие корпуса 3 с охлаждаю­

щей водой, сборка из полуцилиндров уплотняется с корпусом при помощи колец из вакуумной резины 2 и гайки из диэлектрика

132

Батарея ТЭЭЛ предназначена для работы в интервале темпера- т л ° С и изготовлена из 25 последовательно соединенных

Для коммутации по горячей стороне использованы шины из материала на основе никеля. Для получения диффузионного комму­ тационного перехода применялся селен или теллур, прошедшие тер­ мообработку в восстановительной среде при 600—700° С. Омическое сопротивление контакта составляло от Ю"4 до 10~6 ом!см2. Испыта-

5 6 7

динительная шина с компенсатором холодного конца ТЭЭЛ.

ние стойкости этой коммутации при 450° С в течение 1200 ч на воз­

духе показало, что сопротивление переходной зоны за этот период не меняется. По холодной стороне коммутация производилась припоем из 50% висмута, 25% олова и 25% свинца с предваритель­ ным нанесением на контактную поверхность палладиевого по­ крытия гальваническим способом.

Общее омическое сопротивление ТЭГ 0,156 ом, сопротивление контактов на горячей стороне 25—250 m k o m I cm 2, на холодной сто­ роне 40— 170 мком/см2, сопротивление соединительных шин на холодной стороне 250 мком/см2.

Концентратор солнечной энергии — параболоид диаметром 1,4 м

из зеркального алюминия. Площадь фокального пятна генера­

холодных спаев ТЭЭЛ около 25—30° С получены характеристики, указанные в табл. 6.6.

133

солнечная водоподъемная установка СВ-1 с полупроводниковыми ТЭЭЛ мощностью 0,3 кет. Указанный ТЭГ дает электрический ток напряжением 20 в, который питает электромотор постоянного

тока, приводящий в действие водяной насос. Для сбора излучения Солнца используется параболический концентратор энергии диа­ метром 4,86 м с механизмом суточного слежения и годового скло­

заменено соответствующим количеством небольших (с автомобиль­ ную фару) алюминиевых рефлекторов. В фокусе каждого рефлек­ тора помещен один ТЭЭЛ, имеющий хороший контакт с самим реф­ лектором. Сконцентрированные солнечные лучи нагревают ТЭЭЛ, а холодный спай охлаждается самим рефлектором. На рис. 6.14 показана схема этого ТЭГ. Несколько позднее подобная конструк­ ция была разработана гелиотехниками США [2].

Образец такого ТЭГ с 14 малыми концентраторами демонстриро­ вался в 1968 г. в Политехническом музее Москвы.

генератора на единицу мощности увеличивается по закону Л3/2. Зарубежные исследователи также изучали возможность исполь­ зования малых концентраторов солнечной энергии. Был создан и испытан ТЭГ, дававший в земных условиях мощность 5 вт.

Установка состоит из ряда одинаковых концентраторов солнечной энергии, диаметр которых может быть выбранным от 7,6 до 10,2 см,

134

собиравших лучистую энергию на помещенный в фокусе концентра­

При испытаниях около 100 ч наибольшее изменение в мощности

ТЭГ вызывали неравномерность солнечного излучения и ветер. Расчет характеристик устройства применительно к полету около

Земли или Луны показал, что 676 элементов должны давать 243 вт.

Рис. 6.14. Гелиогенератор А. Н. Воронина:

/ — параболический рефлектор; 2 — приемник солнечного тепла; 3 — ТЭЭЛ;

4 — теплоотвод.

При этом удельная мощность получится около 30—50 вт!кг, а с уче­

том использования аккумулятора энергии на период прохождения в тени планеты удельная мощность будет 18—22 вт!кг.

Т Э Г с ц и л и н д р и ч е с к и м г е л и о п р и е м н и к о м . В СССР изучалась возможность создания солнечного ТЭГ с цилинд­ рическим гелиоприемником (предполагалось применение концент­ ратора солнечной энергии). В Институте электроники АН УзССР (У. А. Арифов и др. [29]) был создан и испытан ТЭГ этого типа, рас­ считанный на получение мощности 35 вт. Гелиоприемник из алю­

миния представлял собой двенадцатигранную призму высотой 120 мм, диаметром внутренней полости 60 мм и толщиной стенок 15 мм. Общая схема этого гелиоприемника дана на рис. 6.15.

При испытаниях использовали концентратор прожекторного типа диаметром 1,5 м, ТЭЭЛ изготовлены из Bi2Te3 — Bi2Se3

и Bi2Te3 — Sb2Te3 и в количестве 360 шт. расположены по гра­ ням гелиоприемника. Холодные спаи ТЭЭЛ охлаждались водой.

135