Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) являются устройствами прямого преобразования теплоты в электроэнергию при помощи термоэлементов, между спаями которых поддерживается перепад температур. ТЭГ предназначены для "малой" энергетики и используются для автономного энерго- и теплоснабжения различных объектов, где применение традиционных источников тока не представляется возможным или экономически нецелесообразно.

Конструкция ТЭГ включает систему подвода теплоты, термоэлектрическую батарею (ТЭБ) с теплоконтактной электроизоляцией и систему отвода теплоты. Теплота внешнего источника подводится к горячему теплоприемнику или теплопроводу, на наружной поверхности которого установлена полупроводниковая термобатарея, состоящая из множества ветвей проводимости p- и n-типа. Последовательно-параллельное соединение ветвей осуществляется с помощью коммутационных шин методами пайки, прессования, диффузионной сварки, плазменного напыления или механическим прижимом.
Спаи ТЭБ изолированы от горячего теплопровода и холодного корпуса электроизоляционными пластинами. В некоторых генераторах для повышения надежности дополнительно устанавливается горячая охранная изоляция (плазменное напыление). Для защиты от окисления ТЭБ либо размещается в герметичном чехле, заполненном аргоном или азотом, либо покрывается антисублимационной эмалью, либо запрессовывается в матрицу из диэлектрического материала. Отвод теплоты от холодных спаев ТЭБ осуществляется с помощью оребренного холодного радиатора или хладагента. Конструкция ТЭГ стягивается в пакет с помощью плоских или тарельчатых пружин, что позволяет обеспечивать качественный тепловой контакт и высокую стойкость к термоциклированию (то есть к попеременному нагреву и охлаждению). Мощность современных ТЭГ колеблется от нескольких микроватт до нескольких десятков киловатт, КПД преобразования — от 2 до 10%, срок службы — от 1 года до 25 лет, стоимость установленной мощности — от $12 до $190 на 1 Вт. В России и США разработаны перспективные проекты ядерных термоэлектрических установок (ЯТЭУ), мощность которых достигает сотен и тысяч киловатт.
Простейший ТЭГ состоит из двух частей, каждая из которых изготовлена из термоэлектрического материала: одна из материала дырочной (p-тип), вторая — из материала электронной (n-тип) проводимости. Эти части соединены коммутационными шинами и замкнуты на внешнее сопротивление. При наличии перепада температур между противоположными спаями в замкнутой электрической цепи протекает постоянный ток. Часть подводимого к горячим спаям теплового потока преобразуется в электрическую мощность, а остальная часть отводится от его холодных спаев.

Термоэлектрические материалы
Широкое применение в конструировании ТЭГ в России и на Западе нашли следующие термоэлектронные материалы, условно подразделяемые на три группы: низкотемпературные (0-300°С) — халькогениды висмута и сурьмы, среднетемпературные (300-600°С) — теллуриды свинца, германия и олова и высокотемпературные (600°С и выше) — кремниево-германиевые сплавы.

Термоэлектрические генераторы на органическом топливе
Такие ТЭГ нашли наибольшее практическое применение в области электро- и теплоснабжения автономных объектов в нефтегазовой промышленности, метеорологии, навигации, сельском хозяйстве, армии и в быту. В качестве источника теплоты в них используются продукты сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива. С середины 70-х гг. по настоящее время на магистральных газопроводах России успешно эксплуатируется свыше 12 тыс. газовых низкотемпературных ТЭГ первого поколения (УГМ-80, УГМ-80М) и двухкаскадных ТЭГ второго поколения (ГТГ-150) с инфракрасными горелками мощностью от 80 до 150 Вт, разработанных НПО "Квант" и серийно выпускаемых ОАО "Позит". Канадская фирма "Global Thermoelectric" выпустила в 90-е гг. более 4 тыс. газовых среднетемпературных ТЭГ мощностью от 30 до 550 Вт, работающих более чем в 40 странах мира. Низкотемпературные генераторы с каталитическими горелками мощностью от 10 до 90 Вт серийно выпускаются в России НПП БИАТОС и в США компанией "Teledyne Energy Systems".
На базе генераторов ГТГ-150 и ГТЖ-160 АО "Саратовгазавтоматика" в начале 90-х гг. освоило серийный выпуск автономных источников питания (АИП) мощностью 400, 750 и 900 Вт напряжением 27 В. За рубежом аналогичные АиП с ТЭГ на газовом топливе созданы в Канаде ("Global Thermoelectric"), а АИП на жидком топливе — в Японии. В начале 90-х гг. в России были созданы на предприятии АИТ и выпускаются серийно ОАО "Позит" низкотемпературные бытовые ТЭГ мощностью от 4,5 до 30 Вт и напряжением от 6 до 12 Вт (ГТГ-4,5-12, ГТУ-15-12 и ГТГ-30-12).

Реакторные термоэлектрические генераторы (РТЭГ)
Требуемые уровни электрической мощности ТЭГ — от единиц до нескольких сотен и тысяч киловатт — могут быть обеспечены только в сочетании с ядерными реакторами (ЯР) в качестве источника теплоты. По способу теплопередачи от ЯР к горячим спаям РТЭГ можно разделить на три типа: вынесенные, в которых ТЭГ размещен вне ЯР, а теплопередача осуществляется циркуляционными теплоносителями; встроенные, в которых ЯР и ТЭГ совмещены в едином блоке, ТЭБ размещены на оболочках ТВЭЛ или на отражателе, а теплопередача осуществляется теплопроводностью; и промежуточные, в которых отвод теплоты от ЯР осуществляется тепловыми трубами. Отвод теплоты от холодных спаев ТЭГ всех типов осуществляется хладоагентом или излучением.
Начиная с 60-х гг. и по настоящее время, ведущими предприятиями бывшего СССР (РНЦ Курчатовский институт" Обнинского физико-энергетического института, НПО "Красная Звезда" и "Квант", Сухумский ФТИ), а также такими компаниями США как "Atomic Internation", "Martin Marietta", "Westinghouse Electric Co.", "General Electriuc Co." создан и опробован в эксплуатации ряд уникальных ядерных термоэлектрических энергоустановок.

Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ