Перспективы использования термоэлектрического эффекта Зеебека в элементах конструкции

Энергетических установок

Объект исследования: термоэлектрические генераторы в энергетических установках.

Результаты, полученные лично автором: проведен обзор эффективного применения термоэлектрического эффекта Зеебека в элементах конструкции энергетических установок.

За последние десятилетия в разных промышленно развитых странах были разработаны, испытаны и поставлены на серийное производство термо-электрические генераторы (ТЭГ) мощностью от нескольких микроватт до десятков киловатт. Большинство ТЭГ предназначены для так называемой «малой энергетики». Они обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удаленных от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии.

Качественно явление эффекта Зеебека объясняется так: в различных проводниках энергия свободных электронов в электрическом токе различна и зависит от температуры. При наличии градиента температуры вдоль проводника электроны на горячем конце приобретают более высокие скорости. В результате появляется поток электронов от горячего конца к холодному; на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остается не скомпенсированный положительный заряд. Накопление продолжается до тех пор, пока возникшее падение потенциала не создает встречный поток электронов, равный первичному потоку, вызванному различием тепловых скоростей. Разность падений потенциалов в двух проводниках, образующих термоэлемент, ведет к возникновению ТЭДС.

В настоящее время большое внимание уделяется термоэлектрическим генераторам (ТЭГ) как устройствам для утилизации теплоты отработавших газов на судах. Известно, что судовая энергетическая установка (СЭУ) характеризуется непостоянством режимов работ и, следовательно, параметров горячего теплоносителя, которые влияют на выходные и рабочие параметры ТЭГ. Для более детального исследования этих процессов была разработана модельная установка с ТЭГ, позволяющая изменять параметры горячего и холодного теплоносителей, моделировать переходные режимы СЭУ, исследовать влияние параметров теплоносителей на выходные параметры ТЭГ. Для проведения испытаний была разработана экспериментальная установка с ТЭГ. По результатам испытаний определено влияние параметров теплоносителей на выходные параметры ТЭГ. Тепловые и электрические параметры ТЭГ изменяются при изменении параметров горячего теплоносителя (газа). При увеличении мощности дизеля происходит увеличение температуры и расхода газа, в результате чего температура газа и воды на выходе из ТЭГ, сила тока, напряжение, мощность и КПД увеличиваются.

Устройство работает следующим образом: ОГ, имеющий температуру 150–450 ºС, проходит внутри шестиугольной трубы, образованной горячим узлом, тем самым нагревая его и горячие спаи модуля. Охлаждающая вода, подводимая в полость охлаждения и отводимая от нее при помощи патрубков 8, охлаждает холодный узел и холодные спаи модуля. Вследствие разности значений температуры между спаями возникает термо-ЭДС.

Основным преимуществом использования газов в криогенно-сжиженном состоянии является удобство их хранения, а также транспортировки и потребления (в том числе и как компонента моторного топлива для транспортных средств). При этом на одном из этапов использования сжиженных газов, которые хранятся обычно в специальных резервуарах, происходит их газификация. Газификация происходит либо за счёт тепла окружающей среды, либо за счет специально подводимого тепла. На получение сжиженного газа затрачивается достаточно большое количество энергии (около 1 кВт∙ч). При использования сжиженного природного газа (СПГ) после прохождения газораспределительного пункта и далее по магистралям к потребителям или для заправки транспортных средств на газонаполнительных станциях (АЗС) необходим процесс регазификации в испарителе (обычно- атмосферного типа). Считается, что использование тепла окружающей среды является неэнергозатратным процессом, однако, при этом не учитывается, что для ожижения СПГ ранее была затрачена энергия, которая затем теряется в окружающую среду. Чтобы избежать этих потерь, следует использовать низкотемпературный потенциал СПГ. Выходящий из криогенного резервуара СПГ имеет температуру Т₂=120−150 К, а температура окружающей среды Т₁=250–300 К. Используя эту разность термических потенциалов при работе ТЭГ, можно обеспечить такие результаты:

- при работе дизеля на режиме 75 % от номинальной мощности и с отно-шением внешней и внутренней нагрузок m = 1,097 достигается максимальная мощность ТЭГ 45,84 Вт, напряжение 130 В, сила тока 0,353 А, коэффициент полезного действия η = 2,35 %.

- при расходе СПГ 1000 кг/ч и заданном К.П.Д. тепловой поток составит около 32 кВт, а полезная электрическая мощность 4,2 кВт (количество модулей мощностью 40 Вт превысит 100 штук).

Полученное электричество можно использовано для освещения, подза-рядки аккумуляторных батарей или для других потребителей. Полученная горячая вода может быть использована для общесудовых нужд.

Материал поступил в редколлегию 20.05.2017

УДК 620.9

Н.С. Цуканов

Научный руководитель: доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика», к.т.н., А.С. Стребков

pte@tu-bryansk.ru