Používá se jako zařízení pro přímou přeměnu tepla na elektrickou energii. termoelektrické generátory, které využívají princip činnosti běžných termočlánků (obr. 1).
Obr. 1. Princip činnosti konvenčních termočlánků
Termoelektrický generátor (TEG) je zařízení pro přímou přeměnu tepelné energie na elektrickou energii pomocí polovodičových termočlánků (obr. 2), vzájemně zapojených sériově nebo paralelně.
Obr. 2. Polovodičové termočlánky
Termoelektrický generátor využívá k výrobě elektřiny Seebeckův jev, který spočívá v objevení se elektromotorické síly v uzavřeném okruhu dvou rozdílných materiálů, pokud jsou kontaktní body udržovány na různých teplotách. Vznik efektu je dán tím, že energie volných elektronů nebo děr v polovodičovém materiálu závisí na teplotě (obr. 3).
Obr. 3. Pohyb elektronů a děr v materiálu při zahřívání
Obr. 4. Vzhled termoEMF v uzavřeném okruhu dvou rozdílných materiálů, pokud mají kontaktní body různé teploty
V místech kontaktu mezi různými materiály se náboje přesouvají z vodiče, kde měly vyšší energii, do vodiče s nižší energií náboje. Pokud je jeden kontakt teplejší než druhý, pak je rozdíl nabíjecí energie mezi oběma látkami větší na horkém kontaktu než na studeném kontaktu, což má za následek proud v uzavřeném okruhu (obr. 4). Termoelektrické generátory zahrnují termočlánky složené z polovodičových termočlánků zapojených sériově nebo paralelně a výměníky tepla horkých a studených spojů termočlánků. Schéma elektrického obvodu polovodičového termoelektrického generátoru obsahuje polovodičový termočlánek sestávající z větví (malé obdélníkové prvky vyříznuté z krystalů) vodivosti typu p a n, to znamená, že mají různé znaky koeficientu termoelektromotorické síly, spínací desky teplých a studených spojů a aktivní zátěže (obr. 5).
Obr. 5. Návrh polovodičových termočlánků
V okamžiku, kdy je termočlánek uzavřen vůči vnější zátěži, protéká obvodem stejnosměrný proud vlivem Seebeckova jevu (obr. 6).
Stejný proud způsobí uvolnění a absorpci Peltierova tepla na spojích p- a n- větví termočlánku s kovovými deskami. K tomuto pohybu nosičů dochází od horkých spojů ke studeným spojům, což odpovídá absorpci Peltierova tepla na horkých spojích.
Obr. 6. Seebeckův efekt
Seebeckův efekt – výskyt EMF (termoEMF) v elektrickém obvodu sestávajícím ze sériově zapojených odlišných vodičů, jejichž kontakty mají různé teploty. Objeven v roce 1821 německým fyzikem Thomasem Johannem Seebeckem.
Seebeckův efekt spočívá v tom, že v elektrickém obvodu složeném z různých vodičů (M1 a M2) dochází k termoEMF, pokud jsou kontaktní body (A, B) udržovány na různých teplotách. Pokud je obvod uzavřen, protéká v něm elektrický proud (tepelný proud It) a změna znaménka rozdílu teplot přechodu je doprovázena změnou směru tepelného proudu.
Obvod tvořený dvěma různými vodiči (M1, M2) se nazývá termočlánek (nebo termočlánek) a jeho větve se nazývají termoelektrody.
Polovodičové materiály používané v takových generátorech musí mít nejvyšší možný koeficient termoEMF, dobrou elektrickou vodivost a pro získání významného teplotního rozdílu mezi studenými a horkými spoji krystalů musí mít nízkou tepelnou vodivost. Tyto požadavky nejlépe splňují silně dopované polovodičové materiály. Účinnost termočlánku je dána teplotami horkého a studeného spoje a vlastnostmi materiálů, ze kterých je termočlánek vyroben – jejich termoelektromotorická síla na 1 stupeň, tepelná vodivost a elektrický odpor. Na účinnost termočlánku má vliv i poměr hodnoty jeho vnitřního ohmického odporu k odporu připojené vnější zátěže.
Nejčastěji se pro výrobu termoprvků používají tuhé roztoky na bázi chalkogenidů prvků skupiny V. Protože termoelektrický generátor nevyžaduje vysokou čistotu použitých materiálů, jsou generátory relativně levné a úspěšně pracují v podmínkách pronikajícího záření. K ohřevu těchto generátorů lze využít: – vedlejší teplo – sluneční záření, při provozu se zahřívá stěna instalace (obr. 7); teplo ze speciálního generátoru – plynového nebo petrolejového hořáku, jaderného reaktoru (obr. 8).
Obr. 7. Využití tepla slunečního záření
Obr. 8. Pomocí tepla ze speciálního generátoru
Termoelektrické generátory slouží k napájení vzdálených a těžko dostupných odběratelů elektřiny – automatické majáky, navigační bóje, meteorologické stanice, aktivní opakovače, kosmické lodě, stanice protikorozní ochrany pro plynovody a ropovody (obr. 9-10).
Obr. 9. Reklama na energetickou pec, která umožňuje vyrábět elektřinu
Obr. 10. Termoelektrické topné zařízení pro astronauty
Termoelektrické generátory mají oproti tradičním měničům energie elektrických strojů, jako jsou turbogenerátory, řadu výhod: absence pohyblivých částí, tichý provoz, kompaktnost, snadné seřízení a nízká setrvačnost. Nevýhodou termoelektrických generátorů je jejich nízká účinnost – od 1 % do 10 % (obr. 8.86).
Problém s omezením účinnosti
Charakteristickým rysem stávajících termočlánků je vysoký vnitřní odpor termočlánku jako zdroje EMP, způsobený velkou délkou a malým průřezem větví termočlánku:
r = p1l1/s1 + p2I2/s2
kde pl a p1; 2 a 11; s2 a s1 jsou měrný odpor, délka a plocha průřezu větví termočlánku. To je také důvodem vysokého tepelného odporu pro tepelný tok přes větve termočlánku, jehož část energie se přeměňuje na elektřinu. Tato vlastnost vede k tomu, že účinnost moderních termočlánků nepřesahuje 2% u kovu a 1-5% u polovodičových termočlánků při výrazných teplotních rozdílech a neumožňuje získat vysoké výkony termoelektrických měničů. Pro zlepšení systému je nutné optimalizovat poměry p, l a s.
Navzdory tomu našly termoelektrické generátory široké uplatnění pro napájení přenosných elektronických zařízení, což se vysvětluje jejich snadnou obsluhou, vysokou spolehlivostí a relativně nízkou cenou.
Termionické metody přeměny tepla na elektrickou energii
Termionický konvertor je převaděč tepelné energie na elektrickou energii na základě využití termionického emisního efektu. Je to trubicová dioda, do jejíhož emitoru je přiváděno teplo, které jej zahřívá na vysokou teplotu. Pro neutralizaci vlivu pole prostorového náboje a zvýšení tepelné emise snížením pracovní funkce katody se do baňky zařízení zavádí pára cesia. Oproti jiným metodám přeměny tepelné a chemické energie na elektrickou energii má termionická metoda tyto výhody: nejnižší hmotnostní charakteristiky na jednotku výstupního výkonu a schopnost pracovat při vysokých teplotách chladničky (anoda), absence pohybu dílů, vysokou spolehlivost, kompaktnost a schopnost provozu bez systematické údržby.
Schéma nejjednoduššího termionického zařízení je na Obr. 11. Převodník se skládá ze dvou elektrod: K – katoda, vyhřívaná z vnějšího zdroje tepla na T1 ≈ 1400 °K, a A – anoda, ze které je teplo odváděno do studeného zdroje při teplotě T2 ≈ 700 °K. Při T1 >T2 začnou elektrony o vysoké katodové teplotě emitovat do mezielektrodového prostoru směrem k anodě. Množství energie uvolněné během jejich emise z katody je větší než to, které se uvolní, když se elektrony usadí na studené anodě. Tento rozdíl v energii se využívá ve vnějším okruhu a tím přeměňuje teplo na elektřinu. Velkou roli u tohoto typu zařízení hraje mezielektrodový prostor. Pro zvýšení množství tepla přeměněného na elektřinu vzniká v mezielektrodovém prostoru vakuum, ale zároveň v něm vzniká prostorový náboj, tedy hromadění elektronů, které brání jejich pohybu.
Obr. 11. Schéma termionického zařízení
Pro snížení vlivu prostorového náboje se vzdálenost mezi elektrodami zmenší na ~1-10 μm. Neutralizaci prostorového náboje lze navíc zajistit přidáním párů alkalických kovů (cesium atd.) do mezielektrodového prostoru ve vakuu. V tomto případě se mezielektrodový prostor začne ionizovat a emise elektronů se zvýší.
