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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Generatori termoelettrici. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Generatore termoelettrico - un dispositivo per la conversione diretta dell'energia termica in energia elettrica. I generatori termoelettrici sono realizzati sulla base di termoelementi. I termogeneratori più efficienti utilizzano composti semiconduttori complessi; la loro potenza può raggiungere diverse decine di watt, efficienza - 20% (con una differenza di temperatura tra le giunzioni calde e fredde dei termoelementi - circa 1000 K). T.g. sono particolarmente efficaci quando si utilizza il calore generato durante il funzionamento di motori a razzo, reattori nucleari, altiforni, ecc. Il generatore termoelettrico è progettato per alimentare varie apparecchiature radio, comunicazioni, illuminazione e ricaricare le batterie. Converte il calore proveniente da fonti domestiche (kerogas, stufa a cherosene, bruciatore a gas, stufa, fuoco) in energia elettrica. 1. Generatori termoelettrici a combustibili solidi TEG alimentato a carbone e raffreddato ad acqua o aria. Lo schema strutturale è mostrato in fig. 7.3. Le loro principali caratteristiche sono riportate nella tabella. 7.1.
Tabella 7.1. Caratteristiche del TEG su carbone
TEG con riscaldamento delle giunzioni calde mediante combustione di carbone e raffreddamento delle giunzioni fredde con acqua bollente (vedere Fig. 7.4, 7.5) ha un forno in ghisa 6, in cui viene bruciato il carbone, caricato nella tramoggia 4 attraverso il collo 1. I prodotti della combustione escono tubo passante 2 Nello spazio tra l'involucro interno 3 e l'involucro esterno 5 è presente acqua bollente, che mantiene la temperatura delle giunzioni fredde del TEEL a circa 100°C. I termoelementi 8 sono isolati elettricamente dalla struttura dell'impianto mediante sottili strati di mica. Il contatto termico tra l'involucro 3 e TEEL è effettuato da una lega fusibile colata tra loro.
Il TEG è dotato di due batterie TEEL funzionanti in modo indipendente: una per alimentare i circuiti di riscaldamento, l'altra per alimentare (con l'ausilio di un trasduttore di vibrazione) i circuiti dell'anodo e della griglia. Gli svantaggi di un tale TEEL: la difficoltà di stabilire un contatto termico tra il TEEL e il frigorifero, la presenza di acqua bollente e la difficoltà di controllare la fornace del carbone.
TEG su legno e carbone L'ulteriore sviluppo dei TEG a combustibile solido ha portato alla creazione di numerosi altri modelli di TEG più grandi con una potenza fino a 500 W o più. Queste unità erano stufe a carbone o legna, con termopile integrate nelle pareti. Ad esempio, daremo generatori sviluppati per l'estremo nord da 200 e 500 W, funzionanti con qualsiasi combustibile: legno, carbone, petrolio. Un generatore da 200 W ha consumato circa 2 kg di legna in 1 ora. Era destinato a produrre elettricità, acqua calda o vapore utilizzati nell'allevamento degli animali. Tuttavia, il funzionamento del TEG a carbone è instabile a causa delle difficoltà di garantire una fornitura uniforme di carburante. Il successivo avvio del TEG ha richiesto una pulizia preliminare del forno, il raggiungimento della potenza ha richiesto molto tempo, ecc. Pertanto, l'ulteriore sviluppo del TEG ha seguito il percorso dell'utilizzo di combustibile liquido. TEG intermedi per combustibili solidi e liquidi I vantaggi del combustibile liquido hanno portato alla nascita di progetti intermedi adatti al funzionamento sia con combustibili liquidi che solidi. Tali strutture includono quella mostrata in Fig. 7.6 Schema di installazione del TEG secondo il brevetto americano.
Qui, 145 elementi termoelettrici costituiti da filo di 0,5 mm di diametro sono incorporati con le estremità fredde nel fondo di una tazza di bachelite di 5 cm di diametro supportata da un treppiede. Le estremità calde degli elementi vengono riscaldate dalla fiamma di un normale bruciatore ad alcool. Un ramo del TEEL è costituito da costantana, l'altro è costituito da una lega di nichel (91%) con molibdeno (9%). Tensione di uscita del generatore 6 V. Questo schema è molto simile allo schema TEG-1, ma con un design diverso: con celle a combustibile metalliche e sostituzione del fuoco con un bruciatore ad alcool. 2. Generatori termoelettrici a combustibile liquido I TEG su cherosene del tipo TGK-1, TGK-3 e TGK-2-2-TEG su cherosene si basano sull'uso di lampade a cherosene di illuminazione convenzionali come fonte di calore e, oltre a generare elettricità, sono fonti di luce. Gli schemi di progettazione di TGK-1, TGK-3 e TGK-2-2 sono gli stessi: i prodotti caldi della combustione del cherosene riscaldano le giunzioni calde del TEEL fatto di SbZn e costantana, le giunzioni fredde hanno alette di raffreddamento dell'aria. La potenza di TGC-1 è di circa 1,6 W, TGC-3 è di circa 3 W. Le principali caratteristiche del TGK-3 sono elencate nella tabella. 7.2. Tabella 7.2
Nella fig. La Figura 7.7 mostra il generatore TGK-3, che nella sua struttura di base differisce poco dal TGK-1, ma ha una potenza maggiore. Questo TEG utilizza una lampada a cherosene a stoppino rotondo da 20 linee 8 e 7 e un tubo di calore in metallo. 2 e 6, mostrati in Fig. 7.7, ha 14 facce per TEEL. Ogni blocco TEEL è raffreddato da una doppia aletta indipendente 3, come nel TGK-1. L'altezza del TGK-3 dal bordo inferiore della lampada 8 all'anello 1 è di circa 1 m, il diametro del radiatore è di 300 mm. Una singola carica della lampada è sufficiente per circa 10 ore di funzionamento. L'energia generata dal TGK-3 è abbastanza sufficiente per alimentare varie radio e altri dispositivi che consumano una tensione di 1 - 2 V con una corrente di 0,3 - 0,5 A e una tensione di 90 - 120 V con una corrente di 8 - 11 mA . 3. TEG su combustibile gassoso L'utilizzo del gas semplifica la regolazione della portata termica (si ottiene facilmente regolando la pressione del gas nel bruciatore), garantisce una buona combustione del combustibile a diverse temperature e non è accompagnata dall'accumulo di scorie. Tutto ciò crea le condizioni per un funzionamento stabile e a lungo termine del TEG. In particolare, gli anni Cinquanta furono caratterizzati dalla costruzione di gasdotti per trasportare gas naturale e petrolio su lunghe distanze fino ai centri di consumo. Ciò è anche legato all’inizio del nostro uso diffuso di TEG su combustibile gassoso per la protezione catodica dei gasdotti e di altri gasdotti dalla corrosione (in aree senza centrali elettriche), per garantire la sicurezza dei gasdotti a costi minimi, così come per altri scopi. I gasdotti situati nel campo delle correnti vaganti o in terreni aggressivi si guastano rapidamente a causa della comparsa di cavità, fistole e altri danni nei punti in cui l'isolamento della tubazione è danneggiato. La stazione di protezione catodica del gasdotto è una fonte di corrente continua con una potenza fino a 0,5 - 1 kW a 10 - 20 V, il cui polo negativo è collegato al gasdotto con un cavo isolato e il polo positivo è collegato a terra. Per la protezione catodica in Russia sono stati creati diversi tipi di TEG con potenza da 10 a 300 W, tra cui TGG-10 e TGG-16. Ognuno di essi ha una batteria TEEL e funziona con gas. Le batterie sono costituite da sezioni separate. La giunzione calda è premuta contro il scambiatore di calore in silumin, la giunzione fredda è premuta contro le alette di raffreddamento in alluminio. La batteria è un cilindro, nella parte inferiore del quale è presente un bruciatore a gas (PB-40-4), al quale viene fornito gas con una sovrapressione di circa 0,015 atm. L'impianto TEG è dotato di una valvola elettromagnetica in grado di interrompere l'alimentazione del combustibile. Tipicamente, il gas viene fornito al TEG da gasdotti collegati alle case dei riparatori e degli ispettori. Il generatore TGG-10 sostanzialmente non differisce nel principio di funzionamento dai generatori generici; utilizza solo un bruciatore a gas invece della lampada a cherosene. TEG TGG-16 utilizza un metodo migliorato per rimuovere il calore dai gas caldi utilizzando dischi perforati. Lo schema di questo TEG è mostrato in Fig. 7.8. Questi generatori raggiungono la temperatura operativa in meno di 30 minuti. Il consumo di gas (7000 - 8000 kcal/m) è 0,1 - 0,2 m3/h. Bassa efficienza termica in queste installazioni è insignificante, poiché il consumo di gas è trascurabile, l'importante è l'affidabilità e la semplicità, bassi costi di esercizio.
3. Generatori termoelettrici alimentati da energia solare TEG solare per scopi spaziali. TEG, il cui schema è mostrato in fig. 7.9 si basa sull'uso di celle a combustibile di piccole dimensioni con un volume di circa 2,5 mm3, poste tra due piastre parallele (ad esempio un foglio di metallo) in una quantità di circa 3000 pezzi. per 1 m2; I TEEL sono isolati dalle piastre e collegati in serie-parallelo. Nello spazio, una piastra rivolta verso il Sole si riscalda fino a 300°C, l'altra (giunzioni fredde) ha una temperatura di circa 70°C. Ciascuna cella a combustibile in questo progetto può produrre una potenza di circa 10 MW con un'efficienza di circa il 2%. 1 m2 di modello pannello termoelettrico pesa 10 kg e può produrre circa 30 - 40 W/m di energia elettrica. Un tale generatore solare per un veicolo spaziale è stato realizzato sotto forma di una cassetta con una superficie di 30 cm con 12 file di celle a combustibile, 12 celle a combustibile in ciascuna fila. Era caratterizzato dalla produzione di 2 W di elettricità quando riscaldato dal Sole nello spazio. I TEG solari con superfici riscaldanti piane non consentono di ottenere una buona efficienza del TEEL (soprattutto in condizioni terrestri) a causa delle piccole differenze di temperatura tra le giunzioni calde e fredde. I migliori risultati si possono ottenere utilizzando concentratori di energia solare, anche se questo complica la progettazione.
4. Generatori termoelettrici con concentratori di energia solare Come già notato, l'efficienza del TEEL aumenta proporzionalmente alla differenza di temperatura tra la giunzione calda e quella fredda e, inoltre, alla temperatura assoluta della giunzione calda. Pertanto, un notevole aumento dell'efficienza termica dei TEG si ottiene utilizzando concentratori di energia solare, che consentono di aumentare la temperatura del giunto caldo del TEG fino a 1000°C. Un generatore solare termoelettrico con concentratore è una termopila installata nella zona focale di uno specchio sferoidale o cilindrico (Fig. 7.10). I raggi solari raccolti dallo specchio vengono diretti sulla superficie delle giunzioni calde e le riscaldano. Il raffreddamento delle giunzioni fredde avviene tramite radiatori ad aria, ad acqua o per irraggiamento. Sono stati sviluppati vari modelli di TEG solare con concentratori di calore, compresi quelli con concentratori grandi e piccoli, e con accumulatori di calore. Un grave svantaggio dei TEG solari con concentratori di energia è l’elevato costo dei concentratori stessi.
1 - riflettore parabolico; 2 - ricevitore di calore solare; 3 - ACCIAIO; 4 - dissipatore di calore Generatori termoelettrici con altre fonti di calore La possibilità di utilizzare altre fonti di calore, sia con grandi che piccole differenze di temperatura, per generare elettricità utilizzando TEG (acqua geotermica, calore del corpo umano, gas di scarico dei lanciarazzi, ecc.) è stata implementata in una serie di progetti TEG unici. I materiali termoelettrici più adatti per essi sono quelli con elevati fattori di qualità a basse temperature. Tali materiali includono il tellururo di piombo con l'aggiunta dello 0,1% di sodio, il cui fattore di qualità è 0,8-10-3 (gradi)-1 a 200°C e 1,410-3 (gradi)-1 a 0°C. L'utilizzo del calore delle acque geotermiche può rivestire una grande importanza pratica. Sono stati creati campioni sperimentali di TEG adatti a sfruttare il calore delle sorgenti termali naturali. L'efficienza termica non sufficientemente elevata di tale centrale geotermica termoelettrica può essere compensata dalla semplicità e dall'affidabilità del TEG e dalla capacità di funzionare senza personale di manutenzione. Il calore del corpo umano può essere utilizzato anche per creare una differenza di temperatura tra le giunzioni calde e fredde del TEEL. Tali TEG provenienti da buoni TEM sono in grado di fornire una potenza di 0,01 W o più se la differenza di temperatura è di circa 40 - 50°C. Diverse dozzine di TEEL in miniatura formano un braccialetto flessibile indossato al polso. Un TEG di questo tipo può fornire alimentazione a un ricevitore e trasmettitore a transistor, soprattutto nelle zone a clima freddo. Un altro esempio di questo tipo di dispositivi è la radio giapponese a stato solido, che non necessita di celle voltaiche o batterie. C'è un dispositivo termoelettrico che fornisce la corrente elettrica necessaria se la termopiastra viene posizionata sulla mano. Autore: Magomedov A.M.
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