ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Термин «термоэлектричество» охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов. Эти коэффициенты связаны между собой так называемыми соотношениями Кельвина. Они определяются как параметрами спаев, так и свойствами самих материалов. Другие явления, в которых участвуют теплота и электричество, такие, как термоэлектронная эмиссия и тепловое действие тока, описываемое законом Джоуля — Ленца, существенно отличаются от термоэлектрических и электротермических эффектов и здесь не рассматриваются.
См. также
ТЕПЛОТА;
ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ;
ТЕРМОДИНАМИКА.
Термоэлектрический эффект Зеебека. В 1820 появилось сообщение Г.Эрстеда о том, что магнитная стрелка отклоняется вблизи провода с электрическим током. В 1821 Т.Зеебек отметил, что стрелка отклоняется также, когда два стыка замкнутой электрической цепи, составленной из двух разных проводящих материалов, поддерживаются при разной температуре. Зеебек сначала полагал, что это чисто магнитный эффект. Но впоследствии стало ясно, что разность температур вызывает появление электрического тока в цепи (рис. 1). Важной характеристикой термоэлектрических свойств материалов, составляющих цепь, является напряжение на концах разомкнутой цепи (т.е. когда один из стыков электрически разъединен), так как в замкнутой цепи ток и напряжение зависят от удельного электросопротивления проводов. Это напряжение разомкнутой цепи VAB (T1, T2), зависящее от температур T1 и T2 спаев (рис. 2), называется термоэлектрической электродвижущей силой (термо-ЭДС). Зеебек заложил основы для дальнейших работ в области термоэлектричества, измерив термо-ЭДС широкого круга твердых и жидких металлов, сплавов, минералов и даже ряда веществ, ныне называемых полупроводниками.

Рис. 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА. Разность температур в соединениях проводников A и B вызывает появление тока в замкнутой цепи. Направление тока зависит от того, для какого из проводников удельная термо-ЭДС больше по абсолютной величине. Сила тока зависит от разности температур (Tгор-Tхол), удельных термо-ЭДС обоих проводников и от их удельных сопротивлений.

Рис. 2. ТЕРМОПАРА (ТЕРМОЭЛЕМЕНТ). При разных температурах спаев двух проводников A и B возникает напряжение на концах разомкнутой цепи — термо-ЭДС термопары. Знак термо-ЭДС зависит от того, для какого из проводников больше по абсолютной величине удельная термо-ЭДС. Величина термо-ЭДС термопары зависит от разности температур и от удельных термо-ЭДС обоих проводников.
Электротермический эффект Пельтье. В 1834 французский часовщик Ж.Пельтье заметил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. Как и Зеебек, Пельтье сначала не усмотрел в этом электротермического эффекта. Но в 1838 Э.Х.Ленц, член Петербургской академии наук, показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном — охлаждается. В этом и состоит эффект Пельтье (рис. 3), обратный эффекту Зеебека.

Рис. 3. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ (обратен эффекту Зеебека). При пропускании тока по цепи, составленной из проводников A и B, один спай нагревается, а другой — охлаждается. Какой именно нагревается, а какой охлаждается — это зависит от направления тока в цепи.
Электротермический эффект Томсона. В 1854 У. Томсон (Кельвин) обнаружил, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева (рис. 4), возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, — повышается. Коэффициент Томсона — единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике. Позднее Томсон показал, что все три явления термоэлектричества связаны между собой уже упоминавшимися выше соотношениями Кельвина.

Рис. 4. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ТОМСОНА. При пропускании тока через проводник, нагреваемый в средней точке, один его конец немного нагревается, а другой слегка охлаждается. Какой именно нагревается, а какой охлаждается — это зависит от направления тока в цепи.
Термопара. Если материалы цепи рис. 2 однородны, то термо-ЭДС зависит только от выбранных материалов и от температур спаев. Это экспериментально установленное положение, называемое законом Магнуса, лежит в основе применения т.н. термопары — устройства для измерения температуры, которое имеет важное практическое значение. Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой T1 на рис. 2) поддерживается при точно известной температуре (например, 0° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре T2 другого спая. Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700° C, из меди и многокомпонентного сплава константана — от -160 до +380° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного хромеля — до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или -273,16° C). Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100° C, — величина порядка 1 мВ. Чтобы повысить чувствительность измерительного преобразователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 5). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре T1, а другой — при температуре T2. Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

Рис. 5. ТЕРМОБАТАРЕЯ из n одинаковых термоэлементов, соединенных последовательно. Термо-ЭДС термобатареи в n раз больше термо-ЭДС одного термоэлемента.
Поскольку термопары и их спаи могут быть выполнены небольшими и их удобно использовать в самых разных условиях, они нашли широкое применение в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры.
Термоэлектрические свойства металлов. Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Поэтому его обычно и используют для измерения термоэлектрических коэффициентов неизвестных материалов. Поскольку термо-ЭДС определяется свойствами обеих ветвей термопары, одна ветвь должна быть из некоего «опорного» материала, для которого известна «удельная» термо-ЭДС (термо-ЭДС на один градус разности температур). Если одна ветвь термопары находится в сверхпроводящем состоянии, то ее удельная термо-ЭДС равна нулю и термо-ЭДС термопары определяется величиной удельной термо-ЭДС другой ветви. Таким образом, сверхпроводник — идеальный «опорный» материал для измерения удельной термо-ЭДС неизвестных материалов. До 1986 самая высокая температура, при которой металл можно было поддерживать в сверхпроводящем состоянии, составляла лишь 10 К (-263° C). В настоящее время сверхпроводники можно использовать приблизительно до 100 К (-173° C). При более высоких температурах приходится проводить измерения с несверхпроводящими опорными материалами. До комнатной и несколько более высоких температур опорным материалом обычно служит свинец, а при еще более высоких — золото и платина.
См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ. Эффект Зеебека в металлах имеет две составляющие — одна из них связана с диффузией электронов, а другая обусловлена их фононным увлечением. Диффузия электронов вызывается тем, что при нагревании металлического проводника с одного конца на этом конце оказывается много электронов с высокой кинетической энергией, а на другом — мало. Электроны с высокой энергией диффундируют в сторону холодного конца до тех пор, пока дальнейшей диффузии не воспрепятствует отталкивание со стороны избыточного отрицательного заряда накопившихся здесь электронов. Этим накоплением заряда и определяется компонента термо-ЭДС, связанная с диффузией электронов. Компонента, связанная с фононным увлечением, возникает по той причине, что при нагревании одного конца проводника на этом конце повышается энергия тепловых колебаний атомов. Колебания распространяются в сторону более холодного конца, и в этом движении атомы, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей повышенной энергии и увлекают их в направлении распространения фононов — колебаний кристаллической решетки. Соответствующим накоплением заряда определяется вторая компонента термо-ЭДС. Оба процесса (диффузия электронов и их фононное увлечение) обычно приводят к накоплению электронов на холодном конце проводника. В этом случае удельная термо-ЭДС по определению считается отрицательной. Но в некоторых случаях из-за сложного распределения числа электронов с разной энергией в данном металле и из-за сложных закономерностей рассеяния электронов и колеблющихся атомов в столкновениях с другими электронами и атомами электроны накапливаются на нагреваемом конце, и удельная термо-ЭДС оказывается положительной. Наибольшие термо-ЭДС характерны для термопар, составленных из металлов с удельными термо-ЭДС противоположного знака. В этом случае электроны в обоих металлах движутся в одном и том же направлении.
Термоэлектрические свойства полупроводников. В 1920-1930-х годах ученые обнаружили ряд материалов с низкой проводимостью, ныне называемых полупроводниками, удельные термо-ЭДС которых в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термо-ЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение. Как и в случае металлов, термо-ЭДС полупроводников имеют две составляющие (связанные с диффузией электронов и с их фононным увлечением) и могут быть отрицательными или положительными. Наилучшие термобатареи получаются из полупроводников с термо-ЭДС противоположного знака.
Термоэлектрические приборы. Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, например небольшим количеством радиоактивного вещества, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16-17% (для паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20-40%). Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках на Земле (например, в Арктике) и на межпланетных станциях, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды. Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая — охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать либо как термоэлектрический нагреватель (например, для бутылочек с детским питанием), либо как термоэлектрический холодильник.
См. также ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА. Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается сравнительным показателем качества Z = (S2sT)/k, где T — температура, S — удельная термо-ЭДС, k — удельная теплопроводность, а s — удельная электропроводность. Чем больше S, тем больше термо-ЭДС при данной разности температур. Чем больше s, тем больше может быть ток в цепи. Чем меньше k, тем легче поддерживать необходимую разность температур на спаях термобатареи.
ЛИТЕРАТУРА
Вейник А.И. Термодинамическая пара. Минск, 1973 Анатырчук Л.И. и др. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев, 1979 Термоэлектрические охладители. М., 1983 Куинн Т. Температура. М., 1986

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

• ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ
• ТЕРМОДИНАМИКА

Смотреть что такое «ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО» в других словарях:

• термоэлектричество — термоэлектричество …   Орфографический словарь-справочник

• Термоэлектричество — представляет собой совокупность явлений, в которых разница температур создаёт электрический потенциал, или электрический потенциал создаёт разницу температур. В современном техническом использовании термин почти всегда относится вместе к эффекту… …   Википедия

• ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — (от греч. therme теплота, и электричество). Электричество, возбужденное теплотою. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО от греч. therme, теплота, и электричество. Электричество, которое …   Словарь иностранных слов русского языка

• ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО, ТЕРМОЭЛЕМЕНТ херта, представляющие.собой систему стеклянных трубок, наполненных ртутью. Увеличиваясь в объеме при нагревании, ртуть закрывает отверстие, через которое проходит газ, и тем самым уменьшает подачу его в горелки.… …   Большая медицинская энциклопедия

• ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО — ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО, совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между ТЕПЛОТОЙ и ЭЛЕКТРИЧЕСТВОМ. Джеймс ДЖОУЛЬ описал необратимую конверсию теплоты в электричество. Однако существуют три обратимых эффекта. ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА состоит в …   Научно-технический энциклопедический словарь

• термоэлектричество — сущ., кол во синонимов: 1 • электричество (13) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

• термоэлектричество — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN thermal electricitythermoelectricity …   Справочник технического переводчика

• термоэлектричество — termoelektra statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. thermoelectricity vok. Thermoelektrizität, f rus. термоэлектричество, n pranc. thermo électricité, f; thermoélectricité, f …   Fizikos terminų žodynas

• Термоэлектричество — см. Электричество …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

• Термоэлектричество — ср. Непосредственное превращение тепловой энергии в электрическую в цепи из разнородных проводников. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 …   Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

6.7. Термоэлектрические приборы

Эти приборы используются для измерения токов высокой частоты. Термоэлектрический прибор (рис. 6.7) состоит из термопреобразователя, термоэлемента и измерительного прибора И магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь содержит подогреватель 2 и термопару 1 из двух разнородных проводников, спаянных между собой.

Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток; (например, высокой частоты), то вследствие нагрева спая в цепи термопары и прибора И будет протекать термоток I₀ постоянного напряжения. Так как термо-ЭДС пропорциональна количеству тепла, выделенному в подогревателе, то прибор термоэлектрической системы измеряет действующее значение переменного тока любой формы.

Рис.6.7. Схема включения в цепь измерения термоэлектрического прибора

Шкала термоэлектрических приборов близка к квадратичной, так как термо-ЭДС пропорциональна квадрату измеряемого тока. Чувствительность термоэлементов, определяемая изменением термо-ЭДС в микровольтах, получающимся при изменении температуры спая на 1°С, зависит в основном от материала термопары и температуры спая.

К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отнести высокую чувствительность к измеряемому току, большой диапазон измерения токов, широкий диапазон частот, а также возможность измерения токов сигналов произвольной формы. Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, которая в начальной своей части получается сжатой и на участке примерно 20% номинального тока практически не используется. Кроме того, показания приборов зависимы от внешней температуры, имеют тепловую инерцию и чувствительны к перегрузке.

В зависимости от назначения термоэлектрические приборы имеют различные пределы измерения, классы точности и частотный диапазон. Общий частотный диапазон термоэлектрических приборов промышленного типа лежит в пределах от 45 Гц до 300 МГц. Номинальные токи — от 1 мА до 50 А, с применением трансформаторов тока — от 1 до 500 А. Классы точности — от 1,0 до 2,5. На частотах 300 МГц (Т22М) основная погрешность достигает + 5 %.

Примером термоэлектрических приборов являются щитовые миллиамперметры Т20 и Т20Т с внутренним вакуумным термопреобразователем на частоты 50 Гц — 100 МГц, с пределами измерения 75, 100, 250, 500 и 1000 мА. Более высокий класс точности (1,0) имеет миллиамперметр Т15 с тер­мопреобразователем Т105, который имеет номинальный ток 100 мА и погрешность в диапазоне частот 20 Гц — 100 МГц 1-4%.

Для увеличения чувствительности термоприборов и повышения их перегрузочной способности применяются вакуумные термопреобразователи в сочетании с фотогальванометрическими компенсационными усилителями, что позволяет изготовлять микроамперметры с нижним пределом измерения 100 мкА.

42

Термоэлектрическая система — Энциклопедия по машиностроению XXL

При измерениях переменного напряжения нли силы тока определяют действующее значение электроизмерительными приборами электродинамической, электромагнитной, тепловой или термоэлектрической системы.  [c.383]

Метод вариации активной проводимости осуществляется главным образом с помощью схемы замещения-(рис. 4-4). Генератор высокой частоты 1 индуктивно связан с измерительным контуром «(L 2, С 2), параллельно которому может включаться либо испытуемый образец С , либо образцовый конденсатор С с регулируемым сопротивлением R . Измерительный прибор термоэлектрической системы (гальванометр с термоэлементом)  [c.82]

К достоинствам приборов термоэлектрической системы следует отнести  [c.178]

Авиационный термоэлектрический термометр представляет собой прибор термоэлектрической системы (см. 12 и 15), шкала измерителя которого градуирована в °С, В качестве измерителя применяется магнитоэлектрический гальванометр, подобный тому, устрой-  [c.335]

К статическим тепловым преобразователям относятся термоэлектрические системы. Отсутствие движущихся частей, уплотнений, подшипников, поршней и т. п. обеспечивает большой ресурс их работы. Но такие системы имеют большие размеры и массу, небольшой КПД (меньше 10 %) область их применения ограничена сравнительно малым уровнем мощности (до 100 Вт). Поэтому радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) используются для маломощных космических и подводных энергоустановок.  [c.345]

Рис. 8-10. Схема полостной солнечной термоэлектрической энергетической системы.

Тепловым насосом (рис. 12.4) называется любая холодильная машина (воздушная, паровая компрессионная, абсорбционная, термоэлектрическая и т. д.), осуществляющая передачу теплоты нагреваемой системе за счет использования источников теплоты с низкой температурой (воздух, вода естественных и искусственных водоемов, грунт).  [c.181]

Термогенераторы основываются на трех термоэлектрических эффектах эффекте Зеебека, когда в разомкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, концы которых находятся при различной температуре, возникает э. д. с. эффекте Пельтье, когда при прохождении тока в термически однородной системе через стык двух различных проводников на стыке выделяется или поглощается теплота эффекте Томсона, когда в термически неоднородной системе помимо теплоты Джоуля выделяется теплота Томсона, пропорциональная градиенту температуры и силе тока. Математически эти эффекты соответственно записываются  [c.418]

Наличие у полупроводников двух типов электропроводности — электронной (п) и электронно-дырочной (р) позволяет получить полупроводниковые изделия с р — -переходом. Сюда относятся различные типы как мощных, так и маломощных выпрямителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые системы могут быть с успехом использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока с такими значениями коэффициента преобразования, которые делают полупроводниковые преобразователи сравнимыми с существующими преобразователями других типов, а иногда и превосходящими их. Примерами полупроводниковых преобразователей могут служить солнечные батареи и термоэлектрические генераторы. При помощи полупроводников можно понизить температуру на несколько десятков градусов. В последние годы особое значение приобрело рекомбинационное свечение при низком напряжении постоянного тока электроннодырочных переходов, которые используются для создания сигнальных источников света и в устройствах вывода информации из вычислительных машин.  [c.230]

Термоэлектрические топливные элементы. Система радиоизотопного термоэлектрического генератора (RTG) состоит из трех основных деталей топливной капсулы — источника теплоты, теплозащитного экрана и термоэлектрического преобразователя.  [c.453]

Анализируя изменения термоэдс и учитывая то, что величина зерна образцов была меньше площади контакта и результат усреднялся по нескольким измерениям, а также принимая во внимание высокую чувствительность термоэдс к механизму деформации [11], можно предположить, что при акустической усталости сначала пластическая микродеформация происходит только в наиболее благоприятно ориентированных зернах, т. е. с наименьшим критическим скалывающим напряжением в одной из систем скольжения. После упрочнения данной системы вступает в работу следующая система скольжения с собственной стадией легкого скольжения и т. д. Происходящее при этом изменение плотности и характера дефектов приводит к соответствующему изменению термоэлектрической силы.  [c.197]

Вакуумная система установки состоит из рабочей камеры, ротационного насоса, термоэлектрической ловушки и диффузионного насоса. Предельное разрежение в камере составляет 1.10 мм рт. ст. Вакуумная камера укрепляется на колоннах машины с помощью кронштейнов.  [c.21]

Вакуумно-компрессионная система. Откачка воздуха и газов из камеры производится пароструйным масляным насосом 5 типа ЦВЛ-100, снабженным нагревателем 6. Насос 5 соединен через вакуумный вентиль 7 с ротационным насосом 8 типа ВН-61М. Термоэлектрическая  [c.117]

В своем капитальном труде Н. С. Курнаков рассматривает измеримые физические свойства веществ, применяемые в физико-химическом анализе. Общее число таких свойств достигает 30. Среди них тепловые свойства — плавкость и растворимость, теплота образования, теплоемкость, теплопроводность электрические свойства — электрическое сопротивление, электродвижущая сила, термоэлектрическая сила, диэлектрическая проницаемость объемные свойства — удельный вес и удельный объем, объемное сжатие, коэффициент теплового расширения. При физико-химическом анализе измеряются также основные оптические свойства объектов исследования, свойства, основанные на молекулярном сцеплении (вязкость, твердость, давление истечения, поверхностное натяжение и др.)) магнитные свойства и многие другие. В физико-химическом анализе широко применяется изучение микроструктуры систем, позволяющее определить их фазовый состав. В последние десятилетия физико-химический анализ пополнился таким важным методом исследования, как рентгенография, который позволяет установить параметры и структуру кристаллографических решеток твердых фаз изучаемой системы  [c.159]

Первый режим характеризуется применением датчиков температуры — термоэлектрических или пирометрических преобразователей системы регулирования при этом строят по приведенным выше схемам.  [c.482]

Важным обстоятельством, определяющим также область, в которой термоэлектрическое охлаждение способно конкурировать даже по энергетической эффективности с распространенными методами охлаждения, является то, что уменьшение производительности генераторов холода обычного типа приводит к существенному понижению их эксергетической эффективности. Для термоэлектрической системы охлаждения это не соблюдается, и ее эффективность практически не зависит от производительности. Уже в настоящее время при значениях 2=3,0 для температур источников 0ч-+26°С и при производительностях порядка неокольких десятков ккал1ч термоэлектрическое охлаждение может обладать энергетической эффективностью, близкой к обычным компрессионным машинам.  [c.174]

Кюзар П. и др. Статическая термоэлектрическая система, использующая ядерную энергию для космоса. — В сб. Прямое преобразование тепло вой энергии в электрическую . Информ. бюл. М., Изд-во АН СССР, 1963 вып. 16, с. 88—92.  [c.260]

Термоэлектрические системы по весовым и энергетическим показателям могут конкурировать с парокомпрессионными при холо-допроизводительностях до 400—500 Вт.  [c.851]

Важное обстоятельство, также определяющее область, в которой термоэлектрическое охлаждение способно конкурировать с распространенными методами охлаждения даже по энергетической эффективности, состоит в том, что уменьшение производительности генераторов холода обычных типов приводит при прочих равных условиях к существенному понижению их эксер-гетического КПД. Для термоэлектрической системы охлаждения это не соблюдается, и ее эффективность практически не зависит от производительности. Уже в настоящее время при значениях 2=3,0-10 для температур 7 о=0°С и 7х=26°С и производительностях около нескольких десятков ватт термоэлектрическое охлаждение может характеризоваться значениями КПД т], близкими к тем, которые имеют обычные компрессионные установки.  [c.200]

Генератор высокой частоты 1 индуктивно связан с измерительным контуром 2 ( 2, Сг), параллельно которому может включаться либо испытываемый образец С , либо образцовый коиденсатор Со с регулируемым сопротивлением / о- Измерительный прибор термоэлектрической системы (гальванометр с термоэлементом) включается в третий 50  [c.50]

Наряду с термоэлектрическими системами успешно примеия-ются термометры сопротивления и в определенных диапазонах температур метрологически дублируют практическую температурную шкалу. Поскольку чувствительность их достаточна для регистрации изменения температуры меньше 0,001 град, они широко используются в радиометрических и особенно спектрометрических системах [161, 162, 166, 230]. Появление термисторов значительно упростило задачу создания широкополосных радиометрических устройств [322].  [c.17]

Для радиоизмерений, т. е. для измерения токов звуковой и высокой частоты, вместо приборов тепловой системы в настоящее время обычно применяются приборы термоэлектрической системы. На самолетах термоэлектрические приборы применяются не только для радиоизмерений, но также для измерения высоких температур. Подробно об этом будет сказано ниже, здесь укажем лишь на возможность применения термоэлектрических приборов для электрических измерений.  [c.177]

Приборы термоэлектрической системы основаны на использовании термоэлектрического явления, открытого в 1756 г. русским академиком Ф. У. Эпинусом и заключающегося в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при неодинаковой температуре контактов (спаев) этих проводников возникает электрический ток, величина которого пропорциональна разности температур спаев. Этот ток, обусловленный своеобразием движения электронов в такой цепи, называется термоэлектрическим током, а электродвижущая сила, его поддерживающая,— термоэлектродвижущей силой (ТЭДС).  [c.177]

Выполненные расчеты термоэлектрической системы кондиционирования холодо пршзводительностью 500 тыс. ккал1час показали, что объем этой системы будет в три раза меньше по сравнению с объемом лучших типов сущ,ествуюш,их систем с фреоновыми холодильными машинами (4,25 против 13 ж ). Несмотря на большую потребляемую мощность (250 квт против 160 квт) термоэлектрический кондиционер весьма перспективен, так как при уменьшенных по сравнению с расчетной тепловых нагрузках его эффективность значительно возрастает.  [c.322]

Система охлаждения состоит из внутреннего и внешнего контуров, причем внутренний контур замкнутого, а внешний разомкнутого типа. Вода внутреннего контура после охлаждения стенок цилиндров и головки блока поступает к водомасляному 3 и водоводяному 5 холодильникам, откуда с помощью насоса 2 центробежного типа подается снова в рабочие полости дизеля. Внешний контур охлаждения используется для отвода теплоты от нагретой воды внутреннего контура. Для этого вода из бака 10 подается в водоводяной холодильник 5, а оттуда идет на слив. Частота вращения п (1/мин) коленчатого вала двигателя определяется по дистанционному электротахометру, установленному на щитке приборов 15. Температура выпускных газов двигателя измеряется с помощью термопары 14, установленной в выхлопном тракте дизеля, и пирометра 13, закрепленного в щитке приборов. Температура воздуха, поступающего в цилиндры двигателя из продувочного насоса, измеряется также термоэлектрическим термометром. Давление окружающей среды измеряется барометром.  [c.117]

В связи с освоением космического пространства возникла потребность в энергии, необходимой для работы аппаратуры в космических летательных аппаратах. Вначале ядерные устройства использовались в качестве вспомогательного источника энергии, основным же источником служили солнечные элементы, аккуму-ляторньй батареи и т. п. С тех пор как ядерная энергия стала основным источником энергии, была создана серия устройств типа SNAP (сокращенное название источника вспомогательной ядерной энергии), способных полностью обеспечивать энергией космическую аппаратуру. В этих устройствах реализуются различные способы преобразования энергии, включая термоэлектрический, термоионный системы Штирлинга, Рэнкина и Брайтона. Обычно в первых двух системах используется изотопный источник теплоты, а в третьей системе — реактор. Требования в отношении топлива для реакторных систем аналогичны соответствующим требованиям для других ядерных реакторов, поэтому детально будет рассмотрен только изотопный источник тепловой энергии.  [c.453]

Помимо использования радиоизотопов в термоэлектрических генераторах, все больший интерес представ.тяет применение их в космосе и для других целей, в частности для ядерных силовых систем. По типу силовой системы ядерные ракеты подразделяют на несколько классов теплообменные, реакторные (газообразное горючее), импульсные или взрывные, ядерно-электрические (воздушная плазма), термоядерные и системы, использующие эффект отдачи осколков деления. В космической ядерной силовой системе, так же как и в ранее описанных системах, особое внимание обращается на высокотемпературную стабильность, для обеспечения которой необходимо использовать композиционные топлива и высокотемпературные конструкционные материалы для капсулы. Краткий обзор областей применения дан Ротманом [22].  [c.457]

Вакуумная система. Вакуумная система установки состоит из рабочей камеры, ротационного насоса типа ВН-2МГ, термоэлектрической ловушки ТВЛ-100 и диффузионного яасоса ЦВЛ-100. Предельное разрежение в рабочей камере составляет 1 X 10 мм рт. ст. Вакуумная камера подвешивается на колоннах машины с помощью кронштейнов.  [c.156]

Вакуумно-компрессионная система установки. Откачка воздуха и газов из камеры осуществляется пароструйным масляным насососом 5 типа ЦВЛ-100, снабженным нагревателем 6. Насос 5 соединен через вакуумный вентиль 7 с масляным ротационным насосом 8 типа ВН-461М. Для предотвращения попадания паров масла из насоса 5 в рабочую камеру предназначена термоэлектрическая вакуумная ловушка 9 типа ТВЛ-100.  [c.161]

При разработке наукоемких радиоэлектронных изделий на базовых несущих конструкциях (БНК), тепловой режим которых обеспечивается при помощи термоэлектрических модулей с воздушным или водяным охлаждением, требуется конструировать и сопровождать конструкцию при производстве и эксплуатации с применением моделирования. Для учета условий изготовления и эксплуатации в данной работе предложено использовать принципы ALS-технологий. В основе предлагаемой методики сопровождения и поддержки наукоемких разработок лежит система ЛСОНИКА , содержащая средства, которые позволяют организовать информационную поддержку проектирования, изготовления и эксплуатации изделия. Предлагаемая методика содержит средства управления (планирования, контроль выполнения, принятие решений) проектированием и производством изделия средства моделирования электрических, тепловых, механических, аэродинамических и гидродинамических процессов средства обеспечения надежности и качества изделия диагностические средства. Выполнение эвристических процедур на различных этапах процесса проектирования в системе АСОНИКА поддерживаются экспертной системой. Получаемая информация от системы АСОНИКА помещается в электронный макет и используется методиками ALS-технологий для информационной поддержки изделия на всем жизненном цикле.  [c.70]

В большинстве случаев в термокамерах применяют принудительную циркуляцию теплоносителя. Примером такой конструкции может служить воздушная термокамера к релаксометру осевого сжатия 2026 РОС, предназначенному для испытания резин при температурах 40—200 °С по ГОСТ 9982 —76 по методу А (рис. 8). Термокамера состоит из корпуса 4, внутренней камеры 5, рабочей камеры 6, двери 1. Нагрев осуществляется с помощью двух трубчатых нагревателей 2, принудительная циркуляция воздуха — с помощью вентилятора 9 с приводом от двигателя 3, смонтированного на задней стене камеры. Подшипники двигателя охлаждаются водой. Датчиком системы регулирования является термоэлектрический преобразователь 7. Для контроля температуры служит ртутный термометр 8 с ценой деления 0,5 С.  [c.289]

Термоэлектрический преобразователь как элемент системы регулирования в значительной степени определяет характеристики температурного устройства испытательной машины. Тепловая инерция термопреобразователя зависит от его конструктивного исполнения, уровня температуры и диаметра термоэлектродов. ВыпускаЛт  [c.457]

Возможность использования оптико-электронной техники для военных нужд ускорила ее развитие. Благодаря довольно высокому уровню развития неселективных приемников (термоэлементов и болометров) в США, Англии и Германии в начале XX в. делаются попытки использовать инфракрасное излучение в военных целях. В ходе первой мировой войны в этих странах были разработаны системы оптической связи и тепловой пеленгации. С. Гофман описал в 1919 г. одну из самых ранних оптико-электронных систем с использованием неселективного приемника излучений и гальванометра [77]. С помощью этой системы человек мог быть обнаружен на расстоянии 182 м, а самолет — на расстоянии до 1,6 км. Оптическая головка теплонеленгатора Гофмана состояла из двух отражательных зеркал и трех встречно включенных термоэлектрических приемников излучений.  [c.383]

Таким образом, результаты проведенного анализа позволяют выбрать наиболее рациональную для заданных условий теплообмена толщину слоя термоизоляции. Если необходимо поддерживать постоянной температуру Г g теплоизолируемой поверхности, то из формул (3.4) или (3.11)-н(3.14), предварительно определив температуру Tf внешней поверхности термоизоляции (если она не задана), нетрудно найти тепловой поток Q, который следует подводить или отводить в процессе термо-статирования. Подвод теплового потока можно осуществить размещением электрических нагревателей на поверхности контакта термостатируемой конструкции со слоем термоизоляции или в непосредственной близости к этой поверхности в объеме этого слоя, а отвод — прокачкой хладоагента, поглощением теплоты при термоэлектрических эффектах или применением тепловых аккумуляторов, содержащих вещества с большой скрытой теплотой фазовых переходов [18]. Во всех случаях эффективность системы термостатирования повышается, а энергетические затраты падают, если удается применить термоизоляцию с максимально возможным значением термического сопротивления.  [c.76]

Н 01 L 39/22) Доплера G 01 S (для контроля движения дорожного транспорта (13, 15, 17)/00 в радарных системах 1>152-2>15А)-, Зеебека, в термоэлектрических приборах Н 01 L 35/(28-32) Керра (для модуляции светового пучка в электроизмерительных приборах G 01 R 13/40 для управления (лазерами Н 01 S 3/107 световыми лучами G 02 F 1/03-1/07)) Лэнда, в цветной фотографии G 03 В 33/02 Мейснера, в электрических генераторах Н 02 N 15/04 Мессбауэра, в устройствах для управления излучением или частицами G 21 К 1/12 Нернста—Эттингхаузена, в термомагнитных приборах 37/00 Овшинского, в приборах на твердом теле 45/00 Пельтье, в охладительных устройствах (полупроводниковых приборов 23/38 в термоэлектрических приборах 35/28)) Н 01 L Поккелса, для управления лазерами (Н 01 S 3/107 световыми лучами G 02 F 1/03-1/07) Рамона, в лазерной технике Н 01 S 3/30 Фарадея, для управления световыми лучами G 02 F 1/09 Холла датчиках-преобразователях устройств электроискрового зажигания F 02 Р 7/07 Н 03 (в демодуляторах D 3/14 в приборах с амплитудной модуляцией С 1/48) для измерения G 01 R (напряженности магнитных полей или магнитных потоков 33/06 электрической мощности 21/08) для считывания знаков механических счетчиков G 06 М 1/274 в цифровых накопителях информации G 11 С 11/18)] использование Эхолоты G 01 S 15/00  [c.223]

Например, для управления энергоблоком мощностью 800 МВт используется информация от 1000 датчиков с унифицированным выходом, измеряющих давления, разрежения, перепады давления, уровни и другие параметры, от 800 термоэлектрических термометров и термометров сопротивления с преобразователями и 200 двухпозиционных органов, механизмов и устройств. На блоке установлено около 500 различных показывающих или регистрирующих вторичных приборов. Система автоматического регулирования включает более 120 контуров и компонуется примерно из 1000 регулирующих блоков систем Каскад и АКЭСР.  [c.477]

Для упрощения системы ограничений, формирующей область допустимых значений независимых переменных, в качестве последних удобно выбрать Txi , перепад температуры ДФС на холодильнике-излучателе — Тдрт и степень расширения парового потока на активном сопле конденсирующего инжектора Як, и- Свойства полупроводниковых материалов и ДФС обусловливают ряд особенностей организации рабочего процесса энергетической установки, которые необходимо учитывать в решаемой задаче. Из-за возможного окисления, испарения и диффузии материалов ТЭГ при сроках функционирования более года температура горячего спая первого каскада Тпк не превышает 1000 К [82], поэтому ее следует принять неизменной и равной 1000 К. Термоэлектрические материалы имеют максимальные значения pi в относительно узком диапазоне температур, а форсирование TipT ограничивается термической стабильностью ДФС. С учетом сказанного конкретизированная постановка задачи (9.18) принимает вид  [c.173]

Термоприемник многих приборов представляет собою сложную систему (см., например, рис. 62, на котором изображен термоприемник термоэлектрического пирометра). Это—система различных тел, часто состоящих из плохих проводников тепла поэтому зачастую распределение температур по объему термоприемника далеко от равномерности когда точки внешней его поверхности 5 уже почти успели принять температуру t среды Е, внутренние его точки еще имеют температуру, заметно отличающуюся от t. Это обстоятельство приходится учитывать не только в таких сложных и массивных термоприемниках, как у технических приборов, но даже при некоторых условиях измерения (например при больших. значениях а), в простейших жидкостных стеклянных термометрах, как уже давно было указано Мак-Леодом  [c.214]

термоэлектрический генератор — Thermoelectric generator

Термоэлектрический генератор ( ТЭГ ), также называемый генератором Зеебека , является полупроводниковым устройством , которое преобразует поток тепла (перепады температур) непосредственно в электрическую энергию через явление , называемое эффект Зеебека (форму термоэлектрического эффекта ). Термоэлектрические генераторы работают как тепловые двигатели , но они менее громоздки и не имеют движущихся частей. Тем не менее, ТЭГ , как правило , более дорогой и менее эффективный.

Термоэлектрические генераторы могут быть использованы в электростанциях , чтобы превратить отработанное тепло в дополнительную электроэнергию и в автомобилях , как автомобильные термоэлектрические генераторы (ATGs) для повышения эффективности использования топлива. Другое применение термоэлектрических генераторы радиоизотопных , которые используются в космических аппаратах, которая имеет тот же самый механизм , но используют радиоизотопы , чтобы произвести требуемую разность тепла.

история

В 1821 году, Зеебек вновь , что температурный градиент , образованный между двумя проводниками может разнородных производить электричество. В основе термоэлектрического эффекта является тем фактом , что температурный градиент в проводящем материале приводит к тепловому потоку; это приводит к диффузии носителей заряда. Поток носителей заряда между горячими и холодными регионами , в свою очередь , создает разность потенциалов. В 1834 году Жан Чарльз Атаназ Пельтье обнаружил обратный эффект, что запуск электрического тока через соединение двух разнородных проводников может, в зависимости от направления тока, потому что , чтобы действовать в качестве нагревателя или охладителя.

строительство

Термоэлектрические генераторы состоят из трех основных компонентов: термоэлектрических материалов, термоэлектрических модулей и термоэлектрических систем, которые взаимодействуют с источником тепла.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрические материалы генерируют энергию непосредственно из тепла путем преобразования разности температур в электрическое напряжение. Эти материалы должны иметь как высокую электрическую проводимость (а) и низкую теплопроводность (К) , чтобы быть хорошими термоэлектрические материалы. Имея низкую теплопроводность гарантирует , что , когда одна стороны выполнена горячей, другая сторона остается холодной, которая помогает генерировать большое напряжение в то время как градиент температуры. Мера величины электронов текут в ответ на разность температур поперек этого материала определяется коэффициентом Зеебека (S). Эффективность данного материала для получения термоэдс определяется его « добротность » гТ = S ² ? T / х.

В течение многих лет, основные три полупроводники известные иметь как низкую теплопроводность и высокий коэффициент мощности были теллурида висмута (Bi ₂ Te ₃ ), теллурида свинца (PbTe), а также кремний-германий (SiGe). Эти материалы имеют очень редкие элементы , которые делают их очень дорогие соединения.

Сегодня теплопроводность полупроводников может быть снижена , не затрагивая их высокие электрические свойства , используя нанотехнологии . Это может быть достигнуто за счет создания возможности наноразмерных частиц , таких как, проводов или интерфейсов в объемных полупроводниковых материалов. Однако, производственные процессы нано-материалы по — прежнему сложные.

Термоэлектрический модуль

Термоэлектрический модуль представляет собой схему, содержащую термоэлектрические материалы, которые генерируют электричество от тепла непосредственно. Термоэлектрический модуль состоит из двух разнородных материалов, соединенных термоэлектрических на их концах: п-тип (отрицательно заряженный) и р-типа (положительно заряженный) полупроводник. Прямой электрический ток будет протекать в схеме, когда существует разница температур между концами материалов. Как правило, величина тока прямо пропорциональна разности температур:

Jзнак равно-σS∇T{\ Displaystyle \ mathbf {j} = — \ сигма S \ наб Т}

Там , где есть локальная проводимость , S представляет собой коэффициент Зеебека (также известный как термоэдс), свойство местного материала, и это температурный градиент. σ{\ Displaystyle \ сигма}∇T{\ Displaystyle \ наб Т}

В применении, термоэлектрические модули в работе выработки электроэнергии в очень жестких механических и температурных условиях. Потому что они работают в очень высоком температурном градиенте, модули могут быть большими термонаведенных напряжений и деформаций в течение длительных периодов времени. Они также подвержены механической усталости , вызванной большим количеством тепловых циклов.

Таким образом, узлы и материалы должны быть выбраны таким образом, что они выживают эти жесткие механические и тепловые условия. Кроме того, модуль должен быть выполнен таким образом, что два термоэлектрические материалы являются термически параллельно, но электрически последовательно. Эффективность термоэлектрического модуля сильно зависит от геометрии ее конструкции.

Термоэлектрическая система

Использование термоэлектрических модулей, термоэлектрическая система генерирует энергию, принимая во тепле от источника , таких как горячий выхлопного дымоход. Для того , чтобы сделать это, система нуждается в большой градиент температуры, который не просто в реальных приложениях. Холодная сторона должна быть охлаждена воздухом или водой. Теплообменники используются на обеих сторонах модулей , чтобы поставить этот нагрев и охлаждение.

Есть много проблем, в разработке надежной системы ТЭГА, которая работает при высоких температурах. Достижение высокой эффективности в системе требует обширного инженерного проектирования для того, чтобы сбалансировать между потоком тепла через модули и максимальный градиент температуры на них. Для этого, проектирования теплообменников технологий в системе является одним из наиболее важных аспектов ТЭГА техники. Кроме того, система требует, чтобы минимизировать тепловые потери из-за границы раздела между материалами в нескольких местах. Другое сложная задача ограничения избежать больших перепадов давления между нагревом и охлаждением источниками.

После питания постоянного тока от термоэлектрических модулей проходит через инвертор, ТЭГ производит энергию переменного тока , который , в свою очередь, требует комплексной системы питания электроники доставить его заказчику.

Материалы для ТЭГА

Лишь немногие известные материалы на сегодняшний день идентифицированы как термоэлектрические материалы. Большинство термоэлектрических материалов сегодня имеют ZT, добротность, значение около 1, например, в теллурида висмута (Bi ₂ Te ₃ ) при комнатной температуре и теллурида свинца (PbTe) при 500-700K. Однако для того, чтобы быть конкурентоспособными с другими системами выработки энергии, ТЭГ материалы должны иметь ZT 2-3. Большинство исследований в термоэлектрических материалах были сосредоточены на повышение коэффициента Зеебека (S) и уменьшение теплопроводности, особенно путем манипулирования наностр-мур термоэлектрических материалов. Поскольку тепловая и электрическая проводимость коррелирует с носителями заряда, новые средства должны быть введены для того , чтобы совмещать противоречие между высокой электрической проводимостью и низкой теплопроводностью , как указано.

При выборе материалов для термоэлектрического поколения, ряд других факторов необходимо учитывать. Во время работы, в идеале термоэлектрический генератор имеет большой температурный градиент через нее. Тепловое расширение будет ввести напряжение в устройстве, которое может привести к разрушению термоэлектрических ног, или отделение от соединительного материала. Механические свойства материалов необходимо учитывать и коэффициент теплового расширения н и р-тип материала должен быть подобран достаточно хорошо. В сегментированных термоэлектрических генераторах, совместимость материала также должна быть рассмотрена.

Коэффициент совместимости материала в определяется как

sзнак равно(1-ZT-1ST){\ Displaystyle s = \ влево ({\ гидроразрыв {{\ SQRT {1-ю}} — {1}}} ST \ справа)},

Когда коэффициент совместимости от одного сегмента к следующему отличается более чем примерно в два раза, то устройство не будет работать эффективно. Материальные параметры, определяющие ы (а также ZT) зависит от температуры, поэтому коэффициент совместимости может изменяться от горячей стороны к холодной стороне устройства, даже в одном сегменте. Такое поведение называется само-совместимости и может стать важным в конструкции устройств для работы при низких температурах.

В общем случае, термоэлектрические материалы можно разделить на традиционные и новые материалы:

Обычные материалы

Многие материалы ТЭГ используются в коммерческих приложениях сегодня. Эти материалы могут быть разделены на три группы в зависимости от диапазона рабочих температур эксплуатации:

1. Низкотемпературные материалы (примерно до 450 К): сплавы на основе висмута (Bi) , в комбинации с сурьмой (Sb), теллура (Te) или селеном (Se).
2. Промежуточная температура (до 850 К): такие , как материалы на основе сплавов свинца (Pb)
3. Самая высокая температура материала (до 1300 K): материалы , изготовленные из кремния германия (SiGe) сплавов.

Хотя эти материалы по-прежнему остаются краеугольным камень для коммерческих и практических применений в области термоэлектрической выработки электроэнергии, значительные успехи были достигнуты в синтезе новых материалов и изготовлении материальных структур с улучшенными термоэлектрическими характеристиками. Последние исследования были направлены на улучшение фигуры добротности материала (ZT), и, следовательно, эффективность преобразования, за счет уменьшения решеточной теплопроводности.

Новые материалы

Исследователи пытаются разработать новые термоэлектрические материалы для производства электроэнергии за счет улучшения фигуры добротности ZT. Одним из примеров таких материалов является полупроводниковое соединение бета-Zn ₄ Sb ₃ , который обладает исключительно низкой теплопроводностью и имеет максимальную ZT 1,3 при температуре 670K. Этот материал также является относительно недорогим и стабильным до этой температуры в вакууме, и может быть хорошей альтернативой в диапазоне температур от материалов на основе Bi ₂ Te ₃ и PbTe.

Помимо улучшения заслугу фигурное из-, появляется все больше внимания к разработке новых материалов за счет увеличения электрической мощности, снижение себестоимости и разработка экологически чистых материалов. Например, когда стоимость топлива низка или почти свободно, например, в рекуперации тепла отходов , то стоимость за ватт определяется только силой на единицу площади и срока эксплуатации. В результате, он инициировал поиск материалов с высокой выходной мощностью , а не КПД преобразования. Так , например, соединения редкоземельных элементов YbAl ₃ имеет низкий показатель добротности, но он имеет выходную мощность , по меньшей мере , вдвое больше , чем любой другой материал, и может работать в температурном диапазоне от источника тепла отходов.

Novel обработка

Для того, чтобы повысить показатель качества (ZT), теплопроводность материала должна быть сведена к минимуму, а его электропроводность и коэффициент Зеебека максимизируются. В большинстве случаев способы для увеличения или уменьшения результата одно свойство в том же влияния на другие свойства из-за их взаимозависимости. Методика обработки романа использует рассеяние различных фононных частот для селективного снижения решеточной теплопроводности без типичных отрицательных эффектов на электрической проводимости от одновременного повышенного рассеяния электронов. В висмуте сурьмы теллура трехкомпонентной системы, жидкофазное спекание используют для получения низкоэнергетических полукогерентной границы зерен, которые не имеют существенное влияние рассеяния на электронах. Прорыв затем приложение давления к жидкости в процессе спекания, что создает кратковременный поток богатой жидкости Te и облегчает образование дислокаций, которые значительно снижают проводимость решетки. Способность избирательно снижать результаты решетки проводимости в сообщенных значений ZT 1,86 ± .15 которые представляют собой значительное улучшение по сравнению с текущим коммерческим термоэлектрических генераторов, которые имеют типичные показатели достоинств ближе к .3-.6. Эти улучшения подчеркнуть тот факт, что в дополнении к разработке новых материалов для термоэлектрических приложений, использующих различные методы обработки для разработки микроструктуры является жизнеспособным и полезным усилием. На самом деле, это часто имеет смысл работать, чтобы оптимизировать как состав и микроструктура.

КПД

Типичная эффективность ТЭГ составляет около 5-8%. Более старые устройства используются биметаллические перекрестки и были громоздкими. Более поздние устройства используют высоко легированные полупроводники , изготовленные из теллурида висмута (Bi ₂ Te ₃ ), теллурида свинца (PbTe), оксид марганца , кальция (Са ₂ Mn ₃ O ₈ ), или их комбинации, в зависимости от температуры. Они не являются твердотельными устройствами и в отличие от динамо не имеют движущихся частей , за редким исключением вентилятора или насоса. Для обсуждения факторов , определяющих и ограничивающих эффективность, а также предпринимаемые усилия по повышению эффективности, в статье термоэлектрических материалов (КПД устройства) .

Пользы

Термоэлектрические генераторы имеют множество применений. Часто, термоэлектрические генераторы используются для маломощных удаленных приложений или там , где громоздкие , но более эффективные тепловые двигатели , такие как двигатели Стирлинга не было бы возможным. В отличие от тепловых двигателей, то твердотельные электрические компоненты , как правило , используются для выполнения термической конверсии электрической энергии не имеют подвижных частей. Термическая конверсия электрической энергии может быть выполнен с использованием компонентов , которые не требуют технического обслуживания, имеет высокую надежность по своей сути, и может быть использовано для построения генераторов с длительным сроком службы , свободной жизнью. Это делает термоэлектрические генераторы хорошо подходят для оборудования с низкой до скромных энергетических потребностей в отдаленных безлюдных или недоступных местах , таких как горные вершины, космический вакуум, или глубины океана.

• Общее применение является использование термоэлектрических генераторов на газопроводах. Например, для катодной защиты, радиосвязи и других телеметрии. На газопроводах для потребления мощности тепловых генераторов до 5 кВт предпочтительнее других источники энергии. Производители генераторов для газопроводов Gentherm Global Power Technologies (ранее Global термоэлектрических), (Калгари, Канада) и TELGEN (Россия).
• Термоэлектрические генераторы в основном используются в качестве удаленных и -решеток генераторов для беспилотных сайтов. Они являются наиболее надежным генератором мощности в таких ситуациях, когда они не имеют движущихся частей (при этом практически не требуют обслуживания), рабочий день и ночь, выполнить при любых погодных условиях, и может работать без батареи резервного копирования. Хотя солнечные фотоэлектрические системы также реализованы в отдаленных местах, Solar PV не может быть подходящим решением, когда солнечное излучение низкой, т.е. области на более высоких широтах со снегом или нет солнечного света, участки с большим количеством облаков или деревьев полога, пыльные пустыни, леса , так далее.
• Gentherm Global Power Technologies (GPT) , ранее известный как Global термоэлектрической (Канада) имеет гибридные решения солнечного ТЭГА , где генератор Термоэлектрический резервирует Solar-PV, например , что если солнечная панель вниз и резервная батарея резервного питания переходит в глубокий разряд , то датчик начинает ТЭГ в качестве резервного источника питания до тех пор , пока солнечная снова. Тепла ТЭГ могут быть получены с помощью пламени низкого давления подпитывается пропана или природного газа.
• Многие космические зонды , включая Марс Curiosity ровер , выработки электроэнергии с использованием радиоизотопных термоэлектрического генератора , чей источник тепла представляет собой радиоактивный элемент.
• Автомобили и другие автомобили производства отходящего тепла (в выхлопных газах , и в охлаждающих агентов). Заготовка , что тепловая энергия, с помощью термоэлектрического генератора, может увеличить эффективность использования топлива автомобиля. Более подробную информацию можно найти в статье: Автомобильный термоэлектрический генератор .
• В дополнение к автомобилям, отходящее тепло также генерируется во многих других местах, например, в промышленных процессах, и в отоплении (древесных плит, наружных котлов, приготовление пищи, нефтяных и газовых месторождений, трубопроводов и удаленных башен связи).
• Микропроцессоры генерируют отходящее тепло. Исследователи рассмотрели ли часть этой энергии может быть переработана. (Тем не менее, см ниже проблем , которые могут возникнуть.)
• Солнечные батареи используют только высокочастотную часть излучения, в то время как низкая частота тепловая энергия тратится впустую. Несколько патенты об использовании термоэлектрических устройств в сочетании с солнечными батареями были поданы. Идея заключается в том, чтобы повысить эффективность комбинированной солнечной / термоэлектрической системы для преобразования солнечного излучения в полезную электроэнергию.
• Морская прикладная физика корпорация в Балтиморе, штат Мэриленд разрабатывает термоэлектрический генератор для выработки электроэнергии на океаническом морское дне моря с использованием разности температур между холодной морской водой и горячими жидкостями , выпущенных гидротермальными источниками , горячим просачивается, или из пробуренных геотермальных скважин. Высокий источник надежности морского дна электроэнергии необходима для морских обсерваторий и датчиков , используемых в геологических, наук окружающей среды и океана, морского дна , минеральных и энергетических ресурсов разработчиками, и военными.
• Энн Makosinski из Британской Колумбии , Канада разработала несколько устройств с помощью Пельтье плитки для сбора тепла (от человеческой руки, лоб, и горячий напиток) , который утверждает , чтобы генерировать достаточно электроэнергии для питания LED свет или начислять мобильное устройство , хотя изобретатель признает , что яркость светодиодного света не является конкурентоспособной по сравнению с тем , на рынке.

Практические ограничения

Кроме низкой эффективности и относительно высокой стоимости, практические проблемы существуют при использовании термоэлектрического устройства в некоторых типах приложений, вытекающих из относительно высокого электрического сопротивления выходного, что повышает саморазогрев, и относительно низкой теплопроводности, что делает их непригодными для применений, где тепло удаление имеет решающее значение, как и отвод тепла от электрического устройства, таких как микропроцессоры.

• Выходное сопротивление генератора высокого: Для того , чтобы получить выходные уровни напряжения в диапазоне требуемых цифровых электрических устройств, общий подход заключается в размещении много термоэлектрических элементов, соединенных последовательно в модуле генератора. Напряжение элемента добавить, но так делают их индивидуальное выходное сопротивление. Теорема максимальной передачи мощности диктует , что максимальная мощность подается на нагрузку , когда сопротивление источника и нагрузок тождественно совпадает. При низких нагрузках импеданса вблизи нуля Ом, так как повышается сопротивление генератора мощность , подводимая к нагрузке уменьшается. Для того, чтобы понизить выходное сопротивление, некоторые коммерческие устройства разместить более отдельные элементы параллельно и последовательно меньше и использовать регулятор наддува , чтобы поднять напряжение до напряжения , необходимого нагрузка.
• Низкая теплопроводность: Из — за очень высокую теплопроводность требуется , чтобы транспортировать тепловую энергию вдали от источников тепла , таких как цифровой микропроцессор, низкая теплопроводность термоэлектрических генераторов делает их непригодными для извлечения тепла.
• Холодная сторона отвод тепла с воздухом: В с воздушным охлаждением термоэлектрических применений, например, при уборке тепловой энергии из картера моторного транспортного средства, большое количество тепловой энергии , которое должно быть рассеиваются в окружающий воздух представляет собой серьезную проблему. При повышении температуры прохладной стороны термоэлектрического генератора, рабочая температура дифференциального устройства уменьшается. При повышении температуры, электрические сопротивление увеличивается устройства, вызывая большой паразитарный генератор саморазогрев. В приложениях — транспортных дополнительный радиатор иногда используются для улучшения отвода тепла, хотя использование электрического водяного насоса для циркуляции хладагента добавляет дополнительную паразитную потерю общей выходной мощности генератора. Водяное охлаждение холодной стороны термоэлектрического генератора, так как при генерации термоэлектрической мощности от горячего картере двигателя лодки внутри суден, не будет страдать от этого недостатка. Вода гораздо легче охлаждающая жидкость , чтобы эффективно использовать в отличии от воздуха.

Будущий рынок

Хотя технология ТЭГ была использована в военных и аэрокосмических применений в течение десятилетий, новые материалы и системы TE разрабатываются для выработки электроэнергии с использованием низких или высоких температурах отработанного тепла, и которые могли бы обеспечить значительные возможности в ближайшем будущем. Эти системы также могут быть масштабируемой до любого размера и имеют более низкую работу и расходы на техническое обслуживание.

В целом, инвестиции в технологии ТЭГ быстро растет. Глобальный рынок термоэлектрических генераторов оценивается в $ 320 млн в 2015 году США Недавнее исследование показало , что ТЭГ , как ожидается , достигнет $ 720 млн в 2021 году с темпом роста 14,5%. Сегодня Северная Америка захватывает 66% доли рынка , и это будет по- прежнему самый большой рынок в ближайшем будущем. Тем не менее, Азиатско-Тихоокеанский регион и европейские страны, по прогнозам , будет расти относительно высоких темпов. Исследование показало , что рынок Азиатско-Тихоокеанского региона будет расти на совокупные темпы годового роста (CAGR) на 18,3% в период с 2015 по 2020 год из — за высокого спроса термоэлектрических генераторов в автомобильной промышленности для повышения общей эффективности использования топлива, а также как растущая индустриализация в регионе.

Низкая ТЭГ питания или «суб-ваттный» (т.е. генерация до 1 Вт пика) рынка является растущей частью рынка ТЭГА, спекулируя на новейшие технологии. Основные области применения датчики, маломощные приложения и более глобально Интернет вещей приложений. Специализированная компания по исследованию рынка показал , что 100 000 единиц были отправлены в 2014 году и ожидают , что 9 миллионов единиц в год к 2020 году.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

2.6 . Приборы термоэлектрической системы

Схема устройства приборов теплоэлектрической системы изображена на рис . 2.3. Измеряемый ток I_x протекает по нагревателю АВ и подогревает спай термопары М-N, соединенный с подогревателем. Термоэдс, возникающая в результате нагрева спая термопары, измеряется прибором магнитоэлектрической системы.

Составим уравнение шкалы прибора этой системы. Измеряемый ток протекает по нагревателю АВ с сопротивлением R и за время t выделяет в нем количество теплоты Q₁, которое определяется формулой Джоуля-Ленца

Q₁₌ 0,24J²R t,

где J — -действующее значение переменного тока.

Это тепло рассеивается в окружающую среду. Будем полагать, что рассеиваемое тепло Q₂, при сравнительно невысоких температурах нагревателя Т, пропорционально разности температуры Т и температуры окружающего воздуха Т_в:

Q₂= k(T-T_в)t,

где к — коэффициент теплоотдачи.

По прошествии некоторого времени установится постоянное динамическое тепловое равновесие и Q₁ = Q₂. Приравнивая их, получим

T—T_в = 0,24RJ²/k.

Термоэдс Е_т прямо пропорциональна разности температур спая и холодного конца,

Е_т = k₁(T—T_в) = к₁×0,24RJ² /к,

где — коэффициент пропорциональности.

П

(17б) )

)

где R_т — -сопротивление термопары,

R_пр — -сопротивление прибора магнитоэлектрической системы.

Для приборов магнитоэлектрической системы угол поворота механизма определяется уравнением a=J, подставляя в которое значение тока, получим для шкалы термоприбора:

(17в)

)

где

Из этого уравнения видно, что прибор неполярен и пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Шкала прибора квадратична.

Показания его соответствуют действующему значению измеряемого переменного тока. Приборы этой системы могут быть использованы в качестве амперметров, вольтметров и ваттметров.

Приборы термоэлектрической системы очень чувствительны к перегрузке, так как повышение температуры подогревателя пропорционально квадрату тока, протекающему по нему. Поэтому даже кратковременная нагрузка термопреобразователя на величину более чем на 50% от номинального тока ведет к перегоранию подогревателя и выходу прибора из строя.

Приборы термосистемы в основном используются для измерения токов в диапазоне частот от звуковых до 1000 МГц. Так как только эти приборы фактически позволяют непосредственно измерять ток в таком широкочастотном диапазоне. В качестве индикаторов в них используются приборы разных систем классов 0,2, 0,5, 1,0 и др., поэтому ошибка за счет индикатора определяется классом прибора. Наибольше значение при измерении термоамперметра приобретают температурная и частотная погрешности. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению активного сопротивления в цепи прибора и воздействует на его механические элементы (пружинки), что вызывает температурную погрешность. Величина этой погрешности у современных термоамперметров не превышает 1- 2%. В связи с тем, что термоамперметры используются в широком частотном диапазоне, наиболее существенны частотные ошибки. Эти ошибки происходят от изменения величины сопротивления термоподогревателя с частотой вследствие поверхностного эффекта (скин-эффекта) и влияния на результат измерений реактивных параметров прибора (емкости относительно «земли» и индуктивности вводов).

При частотах свыше 1 МГц начинает сказываться влияние собственной емкости подогревателя и прибора магнитоэлектрической системы на «землю» (рис. 2.3, в). Как видно из рисунка, часть высокочастотного тока ответвляется через емкость С_в на «землю», а другая часть замыкается через емкость С_А, что приводит к погрешностям в измерении токов, поэтому включается амперметр непосредственно на “землю”.

Рис .2.3 — Термоэлектрические преобразователи

а- контактный; б- бесконтактный; в — термобатарея;

Величина этой погрешности сильно зависит от частоты и амплитуды напряжения. Внешнее магнитное поле слабо влияет на показания термоэлектрических приборов.