Термоелектричні генератори

1. Загальні відомості

Зазвичай термоелектричні генератори знаходять своє застосування у системах, де необхідно отримати необслуговуване джерело живлення для електронного обладнання малої потужності і є постійна різниця температур. 

Термоелектричні генератори знаходять все більше застосування в різних сферах діяльності людини, таких як:

• живлення автономного обладнання;
• автомобільна промисловість;
• медицина;
• космічна галузь;
• побутові пристрої.

Термоелектричний генератор - це пристрій, який перетворює теплову енергію в електричну. Принцип роботи термоелектричного генератора ґрунтується на ефекті Зеєбека, суть якого полягає в виникненні електрорушійної сили (ЕРС) при наявності різниці температур на спаях термоелектричної пари (рисунок 1). 

Рисунок 1 – Принцип роботи термоелектричного генератора.

Стандартний термоелектричний генератор - це приймач теплоти (металева пластина, повітряний або рідкий теплообмінник), термоелектричний генераторний модуль і система відведення теплоти (повітряного або рідинного типу).

Перевагою таких джерел електричної енергії над класичними є: тривалий термін служби без необхідності додаткового обслуговування, проста система перетворення отриманої електричної енергії, можливість використання теплових викидів, можливість використання його в будь-якій просторовій орієнтації, невеликі габаритні розміри.

При виборі термоелектричного генераторного модуля для отримання необхідних параметрів за певних умов необхідно дотримуватися наступних рекомендацій.

2. Основи розрахунку характеристик генератора

За наявності різниці температур на гранях термоелектричних генераторних модулів (ТГМ) виникне різниця потенціалів U_oc. 

При підключенні навантаження до ТГМ по колу потече електричний струм, значення якого розраховується за формулою:

де:

U_oc  – напруга розімкнутого кола;

R_in  – внутрішній опір модуля;

R_load  – опір навантаження.

Корисна потужність на навантаженні розраховується за наступною формулою:

Для отримання максимальної потужності опір оптимального навантаження має дорівнювати внутрішньому опору ТГМ (R_opt=R_in).

При цьому струм і напруга при оптимальному навантаженні розраховується як:

де I_sc – струм короткого замикання.

Потужність на оптимальному навантаженні розраховується за наступною формулою:

Залежно від задачі генераторний модуль можна використовувати в двох режимах:

1. Режим максимальної потужності - це режим, який зазвичай використовується при перетворенні теплових викидів в електричну енергію.

2. Режим максимальної ефективності - це режим, при якому тепло, що проходить через модуль, максимально використовується при перетворенні його в електричну енергію.

 Рисунок 2 – Залежність потужності та ефективності від різниці температур

Найбільша ефективність ТГМ може бути отриманою при навантаженні R_ηmax, причому R_ηmax ≠ R_opt (рисунок 2).

Рисунок 3 – Залежність потужності на навантаженні та ефективності ТГМ від опору навантаження

Напруга розірваного кола, опір ТГМ і корисна потужність будуть залежати від температур на гарячій і холодній сторонах ТГМ (Рисунок 4-6).

Рисунок 4 – Залежність напруги розімкнутого кола від температур на гранях ТГМ

Рисунок 5 – Залежність внутрішнього опору від температур на гранях ТГМ

Рисунок 6 – Залежність потужності на оптимальному навантаженні від температур на гранях ТГМ

При паралельно-послідовному з'єднанні модулів в батарею з n ланцюжків по m модулів у кожному термо-ЕРС і внутрішній опір термоелектричної батареї розраховується за такими формулами: 

де:

U_oc – напруга розімкнутого кола;

R_in – внутрішній опір ТГМ;

Схема паралельно-послідовного з’єднання ТГМ наведена на рисунку 7.

Рисунок 7 – Паралельно-послідовне з’єднання ТГМ у батарею

Струм, напруга і потужність на оптимальному навантаженні, в такому разі, розраховується як:

де:

U_oc, I_sc, P_max напруга холостого ходу, струм короткого замикання та потужність на оптимальному навантаженні кожного TGM відповідно.