О генераторах

Термоэлектрические генераторы

1. Общие сведения

Обычно, термоэлектрические генераторы находят свое применение в приложениях, где необходимо получить не требующий обслуживания источник питания электронного оборудования небольшой мощности и есть постоянная разница температур. 

Термоэлектрические генераторы находят все больше применений в различных сферах деятельности человека, таких как:

- питание автономного оборудования;

- автомобильная промышленность;

- медицина;

- космическая отрасль;

- устройства бытового назначения.

Термоэлектрический генератор – устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую. Принцип действия термоэлектрического генератора основан на эффекте Зеебека, суть которого заключается в возникновении ЭДС при наличии разницы температур на спаях термоэлектрической пары (рисунок 1). 

 thermocouple

Рисунок 1 – Принцип действия термоэлектрического генератора.

 

В стандартном исполнении термоэлектрический генератор представляет из себя теплоприемник (металлическая пластина, воздушный или жидкостной теплообменник), термоэлектрический генераторный модуль и система отвода тепла (воздушного либо жидкостного типа).

Преимуществом таких источников электрической энергии перед классическими являются длительный срок эксплуатации без необходимости дополнительного обслуживания, простая система преобразования получаемой электрической мощности, возможность использования «бросового» тепла, возможность использования при любой пространственной ориентации, небольшие габаритные размеры.

При выборе термоэлектрического генераторного модуля для получения необходимых параметров в определенных условиях необходимо придерживаться нижеприведенных положений.

2. Основы расчета характеристик генератора

При наличии разницы температур на гранях термоэлектрических генераторных модулей (ТГМ) появится разница потенциалов Uoc. 

При подключении нагрузки к выводам ТГМ через цепь протечет ток, величина которого рассчитывается по формуле:

 

где:

Uoc  – напряжение холостого хода;

Rin  – внутреннее сопротивление модуля;

Rload  – сопротивление нагрузки.

Мощность на нагрузке рассчитывается по следующей формуле:

 

Для получения максимальной мощности, сопротивление оптимальной нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению ТГМ (Ropt=Rin).

В таком случае, ток и напряжение на оптимальной нагрузке рассчитывается как:

 

где Isc – ток короткого замыкания.

Мощность на оптимальной нагрузке рассчитывается по следующей формуле:

 

В зависимости от задачи генераторный модуль можно использовать в двух режимах:

1. Режим максимальной мощности – режим, который обычно используется при преобразовании бросового тепла в электрическую энергию.

2. Режим максимальной эффективности – режим, при котором максимально используется проходящее через модуль тепло при преобразовании его в электрическую энергию.

 

 Рисунок 2 – Зависимость мощности и эффективности от разницы температур

Наибольшая эффективность ТГМ может быть получена при сопротивлении нагрузки Rη max, причем Rmaxη≠Ropt (рисунок 2).

 

Рисунок 3 – Зависимость мощности на нагрузке и эффективности ТГМ от сопротивления нагрузки

 

Напряжение разомкнутой цепи, сопротивление ТГМ и вырабатываемая мощность будут зависеть от температур на горячей и холодной гранях ТГМ (Рисунок 4-6).

 

Рисунок 4 – Зависимость напряжения разомкнутой цепи от температур на гранях модуля

 

 

Рисунок 5 – Зависимость внутреннего сопротивления от температур на гранях ТГМ

 

 

Рисунок 6 – Зависимость мощности на оптимальной нагрузке от температур на гранях модуля

 

При параллельно-последовательном соединении модулей в батарею из n цепочек по m модулей термо-ЭДС и внутренне сопротивление батареи рассчитывается по следующим формулам: 

 

где:

Uoc – напряжение разомкнутой цепи;

Rin – внутреннее сопротивление модуля;

Схема параллельно-последовательного соединения ТГМ представлена на рисунке 7.

 

Рисунок 7 – Параллельно-последовательное соединение ТГМ в батарею

 

Ток, напряжение и мощность на оптимальной нагрузке, в таком случае, рассчитывается как: