Термопреобразователь с полупроводниковыми термоэлементами и его расчет

 

Термоэлектрический способ получения электрической энергии основан на взаимосвязи между тепловыми и электрическими явлениями в проводниках. Было обнаружено, что если нагревать место спая двух разнородных проводников, то в нем возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), пропорциональная разности температур на горячем и холодном концах проводника (эффект Зеебека): E= α*(Т2-Т1), где α– коэффициент термо-ЭДС, численно равный разности потенциалов, возникающей при разности температур в 1ºC; Т2 и Т1- соответственно температуры горячего и холодного спаев. Создаваемая ЭДС даже при высоком нагреве получалась столь незначительной, что сначала не могла быть использована в энергетических целях. Это объясняется тем, что у металлов разность температур быстро падает из-за их высокой теплопроводимости, а, следовательно, быстро уменьшается и термо - ЭДС.

С появлением полупроводников положение резко изменилось. Если термо-ЭДС металлического стержня вызывается перемещением электрических зарядов (свободных электронов) от более нагретого конца к менее нагретому и количество электрических зарядов при этом остается неизменным, то у полупроводникового стержня с повышением температуры сильно увеличивается концентрация электрических зарядов, а перепад температур, так же как и у металлов, приводит к их интенсивному перемещению из горячей области в холодную. Появление больших количеств новых электрических зарядов обуславливает образование у полупроводников при одном и том же перепаде температур примерно в 50 раз большей термо-ЭДС, чем у металлов. Поэтому применение полупроводников существенно изменило возможности термоэлементов.

На рис.4.6, а приведена принципиальная схема термобатареи ТБ из «n» термоэлементов ТЭ на полупроводниках р- и n- типов. Простейший термоэлектрогенератор ТЭГ, представляющий собой термомодуль ТМ из «m» параллельно соединенных термобатарей ТБ, приведен на рис.4.6, б.

Примем напряжение одного термоэлемента ТЭ за Е, а допустимый ток за Iтэ. Для схемы рис.4.6,а напряжение термобатареи Етб будет равно сумме напряжений всех последовательно соединенных термоэлементов ТЭ.

 

               (4.13)

 

Ток термобатареи Iтб равен току отдельного термоэлементаIтэ

 

                                                                                      (4.14)

 

Рис. 4.6 Источник постоянного напряжения на основе термомодулей:

а) Схема термобатареи (ТБ) из nтермоэлементов (ТЭ)

б) Схема соединения термобатарей (ТБ) в термомодуль (ТМ)

в) Печь с термомодулями

 

Термомодуль Тм представляет собой «m» параллельно соединенных термобатарей, поэтому ток термомодуля Iтм равен сумме токов «m» термобатарей (рис.4.6,б)

 

                             (4.15)

 

а напряжение термомодуля Uтм равно напряжению одной термобатареи Етб

 

(4.16)

 

Разность температур t1 иt2 может быть обеспечена в печи, в качестве топлива в которой может быть применен газ, дрова, отходы древесины и т.д. (рис.4.6,в).

 

Выводы по главе 4

 

Приведена структурная схема ТНУ с автономным электроснабжением на основе преобразователя постоянного напряжения в переменное.

Рассмотрены принципы действия фотоэлементов и термоэлементов и приведены методики их расчета.

 

ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ ТНУ С АВТОНОМНЫМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ

 

Проект предусматривает попытку спроектировать, создать и испытать маломощную теплонасосную установку исходя из имеющихся возможностей: 1. наличие колодца грунтовых вод; 2. наличие насоса для закачки воды из колодца в ТНУ; 3.наличие компрессора- главного компонента ТНУ.

Компрессор является компонентом входящим в состав ТНУ и обычного холодильника (рис. 2.1; 2.2). Поэтому для экспериментальной маломощной ТНУ можно применить компрессор от холодильника или среднемощной холодильной установки.

Для первоначального исследования ТНУ можно использовать сетьэлектроснабжения 220 В. В результате исследований потребляемой мощности определятся требования к параметрам установки автономного электроснабжения.

Вторым этапом исследований по проекту на основе параметров потребления электроэнергии, определенных на 1 этапе при питании компрессора от сети 220 В, будет создание фотопреобразователя на основе промышленных фотомодулей.