Термоэлектрогенератор — это техническое устройство, предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).

История изобретения термоэлектрогенераторов

Типы применяемых термоэлектрогенераторов

• Топливные: Тепло от сжигания топлива (природный газ, нефть, уголь) и тепло от горения пиротехнических составов (шашек).
• Радиоизотопные: Тепло от распада изотопов (распад не контролируется и работа определяется периодом полураспада).
• Атомные: Тепло атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоний, торий), как правило, здесь термоэлектрогенератор — вторая и третья ступень преобразования.
• Солнечные: Тепло от солнечных коллекторов (зеркала, линзы, тепловые трубы).

• Утилизационные: Тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные и печные газы и др).

Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии

Для термоэлектрогенераторов используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик (тысячи сплавов и соединений), но лишь немногие из них позволяют в достаточной мере использоваться для преобразования тепловой энергии. Современная наука постоянно изыскивает новые и новые полупроводниковые композиции и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах. Определённо можно сказать, что на сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным инструментом в создании такого материала является эксперимент. Важнейшими свойствами полупроводникового материала для термоэлектрогенераторов являются:

• КПД: Желателен как можно более высокий КПД;

• Технологичность: Возможность любых видов обработки;

• Стоимость: Желательно отсутствие в составе редких элементов или их меньшее количество, достаточная сырьевая база (для расширения сфер ассимиляции и доступности);
• Коэффициент термо-ЭДС: Желателен как можно более высокий коэффициент термо-ЭДС (для упрощения конструкции);

• Токсичность: Желательно отсутствие или малое содержание токсичных элементов (например: свинец, висмут, теллур, селен) или их инертное состояние (в составе сплавов);
• Рабочие температуры: Желателен как можно более широкий температурный диапазон для использования высокопотенциального тепла и, следовательно, увеличения преобразуемой тепловой мощности.

Пути развития и повышения КПД

Самым, пожалуй, важным в развитии термоэлектрогенераторов и увеличения их КПД является — материаловедение, и воспитание специалистов высочайшего класса. Именно вопросы разработки новых материалов являются ключевыми в прогрессе термоэлектрогенераторов. Вот наиболее актуальные направления для ТЭГов:

• Эффективный термоэлектрический материал: КПД преобразования, термо-ЭДС, пластичность, тонкоплёночное исполнение.
• Эффективный и совместимый с теплообменником жидкометаллический теплоноситель.
• Расширение использования высококачественной керамики в конструкции ТЭГ.
• Унификация узлов, приспособленных для разных случаев применения.
• Предельное повышение энергоплотности ТЭГов до уровня автомобильных и авиационных двигателей и выше.

• Примечание: Коэффициент Карно = 1 соответствует 100 %.

Из таблицы заметен существенный рост КПД, связанный прежде всего с тщательным совершенствованием технологий изготовления материалов, рациональным исполнением конструкций, развитием материаловедения в области термоэлектричества.

Области применения термоэлектрогенераторов

Термоэлектрогенераторы применяются в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов, предназначенных для исследования удаленных от Солнца регионов Солнечной системы. В частности, такие генераторы, использующие тепло плутониевых тепловыделяющих элементов установлены на космических аппаратах Кассини и Новые горизонты.

Литература

• МГД-генераторы и термоэлектрическая энергетика. Киев. «Наукова думка».1983.г.
• Поздняков Б. С, Коптелов Е. А. Термоэлектрическая энергетика. М., Атомиздат, 1974 г., 264 с.