Энергетика завтрашнего дня - Термоэлектрические преобразователи

Другим видом тепловых машин без движущихся частей являются термоэлектрические преобразователи тепловой энергии в электрическую, или, как их часто называют, термоэлектрогенераторы. Физические явления, положенные в основу конструкции таких генераторов, стали известны человечеству свыше ста сорока лет тому назад. Сравнительно давно они уже используются в технике. Но для получения достаточно больших количеств электроэнергии, пригодных для промышленных целей, эти явления стали использоваться совсем недавно. Только успехи современной науки и техники, глубокое проникновение человеческого разума в строение вещества, умение создавать материалы, обладающие нужными свойствами, часто такими, которые не встречаются в природе, — только это позволило поставить на очередь вопрос об использовании ранее известных явлений для получения новых источников электроэнергии.
Если взять спай из двух различных металлов и нагреть его, то в цепи, замыкающей холодные концы металлов, появится электрический ток. Проведенные исследования термоэлектрического эффекта показали, что возникающая при нагреве электродвижущая сила зависит от температуры нагрева спая, от температуры, при которой находятся «холодные» концы проводников, а также от свойств самих металлов. Найдя определенную закономерность между значениями возникающей при нагреве спая термоэлектродвижущей силы и величиной температуры, до которой нагрет этот спай, нетрудно было приспособить спаи различных металлов, так называемые термопары или термоэлементы, для измерения температуры, а также для измерения других явлений, которые могут быть сведены к измерению температуры.
Термоэлектрический эффект объясняется тем, что зависящие от температуры энергия и скорость электронов на горячем конце выше, чем на холодном. Электроны с большой скоростью перетекают с горячего на холодный конец, где их скорость уменьшается, и они там накапливаются. В результате этого между горячим и холодным концами возникает разность потенциалов. Если не отводить тепло от холодного конца термоэлемента, то температура его постепенно поднимется до температуры горячего конца, скорости электронов везде станут одинаковыми и термоэлектрический эффект наблюдаться не будет.
Таким образом, термоэлемент также является тепловой машиной и его экономичность определяется все тем же коэффициентом полезного действия цикла Карно.
Ученые и инженеры быстро оценили по достоинству открытие термоэлектрического эффекта, и лучшие умы того времени поняли возможности, которые давало в руки человека это явление. Действительно, если при нагреве спая металлов удается получить малую электродвижущую силу и малый ток, то почему же нельзя, усовершенствовав устройство, получить большую электродвижущую силу и большой ток? Почему бы не использовать термопары в качестве источников электроэнергии?
Было предпринято немало попыток создать достаточно мощный термоэлектрогенератор. Но все они не увенчались успехом. Несмотря на различные конструкции и самые разнообразные источники тепла, нечего было и думать получить от таких генераторов электроэнергию, которой хватило бы на питание маломощного потребителя вроде радиоприемника или лампочки для освещения.
Сравнительно недавно даже не было надежд создать термоэлектрогенераторы, имеющие практическое значение. Так, в 1934 году в «Технической энциклопедии» в статье «Термоэлемент, термопара» было написано:

«Было сделано много попыток использовать Т. (термопары) в технических целях для непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую без применения промежуточного тела, каким являются вода и водяные пары. Однако к. п. д. таких термобатарей настолько низок (порядка 1—3%), что применение их для технических целей по экономическим соображениям в настоящее время совершенно исключается».
В чем же дело? Какой общий недостаток был присущ всем ранее изготовленным термобатареям? Почему еще тридцать лет назад создание термоэлектрогенераторов считалось делом безнадежным, а теперь наше мнение изменилось?
Определим примерно величину термоэлектродвижущей силы (термо-э. д. с.), возникающей при нагреве спая двух металлов. Формула будет выглядеть следующим образом:
где Е —термо-э. д. с.;
а —так называемый коэффициент термо-э. д. с.;
Τ1 —температура горячего спая;
Т2 —температура холодного спая.
Коэффициент термо-э. д. с. определяется прежде всего свойствами материалов, из которых выполнены первая и вторая ветви термопары. В некоторых случаях этот коэффициент в значительной степени зависит от интервала температур горячего и холодного спаев и даже может менять свой знак с изменением температуры.
Чтобы получить представление о действительной величине этого коэффициента, возьмем термопару, одна ветвь которой изготовлена из свинца, а другую ветвь будем поочередно делать из других металлов и сплавов. Величины коэффициентов термо-э. д. с. для таких термопар в интервале температур от 273° К до 373° К приведены в табл. 1 ². Положительный знак означает, что к данному веществу течет ток через горячий спай.

² Сборник статей «Полупроводники в науке и технике». М.—Л., Изд-во АН СССР, 1957, стр. 114.

Например, если для второй ветви термопары мы возьмем сурьму, то коэффициент термо-э. д. с. будет равен 43. Если же возьмем никель, то коэффициент по своей абсолютной величине будет равен 20,8, но при этом ток потечет в обратном направлении. В случае изготовления первой ветви не из свинца, а из другого металла величина коэффициента термо-э. д. с. термопары определится как разность коэффициентов термо-э. д. с. тех металлов, из которых изготовлены ветви термопары. Пусть первая ветвь будет из сурьмы, а вторая— из висмута. Тогда а = 43—(—68) = 111. Для термопары из металлов эта величина вполне достаточна, даже больше того, такая термопара является одной из лучших. Однако, как мы видели раньше, термоэлектрогенераторы, составленные из металлических термопар, не могли обеспечить получение удовлетворительных значений электродвижущей силы и тока. Очевидно, как бы ни меняли конструкцию таких генераторов, какие бы источники тепла для них ни брали, результаты существенно не изменились бы. Само строение металлов, их физические свойства не позволяют добиться от них лучших результатов.
Какой же вывод? Он может быть только один — надо менять свойства материалов, из которых делаются ветви термопар. Надо искать новые материалы. И такие материалы были найдены среди полупроводников.

Полупроводники — различные по своему химическому составу твердые вещества, которые объединены в один класс по своим электрическим свойствам. Эти вещества занимают промежуточное положение между металлическими проводниками и изоляторами. Среди полупроводников имеются чистые элементы, например германий, кремний, теллур. Имеются различные сплавы. И даже некоторые металлы при определенных условиях становятся полупроводниками.
Как известно, электрическая проводимость вещества определяется наличием в нем свободных валентных электронов, которые образуют внешнюю оболочку атома вещества. В тех веществах, которые относятся к классу проводников, имеется множество таких свободных электронов. Когда мы прикладываем к проводнику электродвижущую силу, электроны начинают перемещаться вдоль проводника и по нему идет ток. В изоляторе (диэлектрике) свободных электронов почти нет. Поэтому, несмотря на то что к нему будет подведена электродвижущая сила, ток по такому веществу не пойдет.
В полупроводнике свободных электронов гораздо меньше, чем в металлическом проводнике, но больше, чем в диэлектрике. Полупроводник является плохим проводником электричества и в то же время он не может применяться как изолятор. Понятно, что такие вещества долгое время не могли найти применения в технике.
Изучение полупроводников показало, что их электрическое сопротивление с повышением температуры уменьшается, тогда как у проводников оно увеличивается. Причем зависимость сопротивления полупроводников от температуры оказалась во много раз большей, чем у проводников. Кроме того, было установлено, что сопротивление полупроводников в значительной степени зависит от освещенности. И, наконец, оказалось, что термоэлектрические свойства проявляются в полупроводниках во много раз сильнее, чем в металлических проводниках. В последнем нетрудно убедиться, если сравнить табл. 1 с аналогичной табл. 2 для полупроводников, которая приводится ниже.

Таким образом, если изготовить термопару из полупроводников MoS и Сu2O, то коэффициент термо-э. д. с. достигнет 1770 мкв/град, т. е. станет в полтора десятка раз больше, чем у термопары из чистых металлов! А это уже позволяет создавать термоэлектрогенераторы, которые находят практическое применение в технике.
Большой вклад в дело изучения полупроводников и в создание теории термоэлектрогенераторов внес советский ученый академик А. Ф. Иоффе, работавший в этой области с 1930 года. Под его руководством был разработан ряд образцов полупроводниковых термоэлектрогенераторов.
В Институте полупроводников Академии наук СССР, которым руководил А. Ф. Иоффе, первоначально был разработан термоэлектрогенератор, в термоэлементах которого использовались в одной ветви сернистый свинец, а в другой — сплав сурьмы и цинка с небольшими добавками олова и висмута. Горячие спаи нагревались теплом, выделяющимся при сгорании древесного угля. Холодные спаи охлаждались при помощи специальной водяной рубашки.

После этого был разработан термоэлектрогенератор с термоэлементами из сурьмяно-цинкового сплава и медно-никелевого сплава типа константан. Это были первые шаги. Они показали, что термоэлектрогенератор — вполне реальная вещь и что он уже созрел для выхода на широкую арену. Первым на такой арене был термоэлектрогенератор ТГК-1, созданный сотрудниками Института полупроводников. Источником тепла для ТГК-1 служила обычная десятилинейная керосиновая лампа. Мощность термоэлектрогенератора составляла 1,6 вт при напряжении 1,2 в одной батареи и 1,7 в другой. Такой генератор мог питать электроэнергией батарейные радиоприемники «Воронеж» и «Тула». После генератора ТГК-1 был разработан более совершенный генератор ТГК-3, использующий в качестве источника тепловой энергии двадцатилинейную круглофитильную лампу типа «Молния». Новый термоэлектрогенератор имел мощность уже 3 вт. Следующим образцом термоэлектрогенератора была опытная установка ТГУ-1. Источником тепла в ней был керогаз, мощность установки составила 14 вт, что вполне достаточно для питания полевой колхозной радиостанции типа «Урожай». Новый генератор ТГК-36 обладал уже мощностью 36 вт.
Возможность преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью полупроводниковых элементов заинтересовала ученых и в других странах.
Следует отметить, что одним из крупных недостатков большинства твердых полупроводников является ухудшение их работы с увеличением температуры. Но работа при низких температурах ограничивает величину к. п. д. термоэлектрогенераторов, как, впрочем, и любых других тепловых машин.
Поиски высокотемпературных полупроводниковых материалов привели к созданию жидких полупроводников. Например, исследования, проведенные в Денверском университете (США), показали, что жидкие полупроводники в виде расплавленных металлов могут решить задачу повышения экономичности термоэлектрогенераторов путем повышения их температурного режима. Наиболее подходящим для этой цели оказался сплав из 75% теллуристой меди и 25% сернистой меди.
Полупроводниковые термоэлектрогенераторы, созданные к настоящему времени, еще недостаточно экономичны и уступают в этом отношении старым способам получения электроэнергии из тепловой энергии топлива. Полупроводниковые материалы позволяют пока получить теоретический коэффициент полезного действия термоэлектрогенераторов до 12%; к. п. д. уже созданных и работающих генераторов такого типа, как правило, не превышает 10%.

В начале брошюры было сказано, что недостатком старых, уже испытанных методов преобразования энергии является низкая их экономичность. А мы предлагаем в качестве нового, перспективного, такой метод, который имеет еще более низкую экономичность! Где же тут логика?
Попытаемся ответить на этот вопрос.
Во-первых, работы над новыми полупроводниковыми материалами продолжаются учеными мира усиленными темпами, и можно надеяться, что современная наука позволит достичь желаемых результатов. Получение новых полупроводников с более высоким коэффициентом термо-э. д. с., полупроводников, которые могут работать при более высокой температуре горячего спая, чем современные материалы, позволит значительно повысить коэффициент полезного действия термоэлектрогенераторов.
Во-вторых, в ряде случаев решающую роль при выборе того или иного типа источника электроэнергии играет не его экономичность, а простота устройства, малые вес и размеры, способность длительное время работать без ухода за ним. Такие свойства источников электроэнергии особенно важны для различных искусственных спутников Земли, автоматических метеостанций, которые устанавливаются в полярных областях, для автоматических морских буев и других устройств. Портативные источники электроэнергии необходимы и в военном деле.
С получением новых полупроводниковых материалов, которые позволят значительно увеличить мощность и повысить экономичность термоэлектрогенераторов, область их применения, несомненно, расширится. А пока рассмотрим несколько образцов уже созданных термоэлектрогенераторов, которые можно классифицировать по источникам тепловой энергии.

а) Термоэлектрогенераторы, в которых тепловая энергия получается за счет горения обычного топлива. К таким генераторам относятся образцы, разработанные в Институте полупроводников. Подобные генераторы созданы также в США и применяются в качестве портативных источников электроэнергии для различных целей.

Например, при разработке системы катодной защиты линии газопровода в США оказалось, что место наиболее выгодного расположения источника тока находится рядом с газопроводом, а от линии электропередачи это место расположено в двухстах метрах. Подсчеты показали, что стоимость кабеля для ответвления от линии переменного тока и стоимость выпрямителя превышают цену термоэлектрогенератора. Поэтому в качестве источника электрического тока для катодной защиты был взят термоэлектрогенератор, тепло для работы которого получалось при сгорании газа, взятого от той же линии газопровода. Генератор давал максимальную мощность — 6 вт при рабочем токе 0,5 а и напряжении 12 в. Масса генератора — 8 кг, размеры в сантиметрах — 32 X 30 X 18. Коэффициент полезного действия генератора относительно полученного тепла равен 12,3%.
Для американской армии создан генератор такого же типа, но работающий на бензине. Вместе с топливом этот генератор весит около 13,5 кг. Его может переносить один человек за спиной. Мощность генератора— 150 вт. Для непрерывной работы в течение четырех часов требуется 1,8 л бензина. Особым преимуществом этого генератора для военных условий является полная бесшумность его при работе.
б) Термоэлектрогенераторы, у которых нагревание горячих спаев термоэлементов производится лучами Солнца. Такие генераторы находят применение на искусственных спутниках Земли и космических кораблях. Могут они применяться и в наземных установках, в областях, где Солнце стоит достаточно высоко и редко бывает закрыто облаками.
Одна из американских систем таких генераторов представляет собой сборку из отдельных элементов, каждый из которых состоит из параболического зеркала небольшого диаметра с расположенным внутри приемником энергии. Солнечные лучи падают на поверхность зеркала и, отражаясь от него, концентрируются на приемнике, который изготовлен в виде шара, покрытого поглощающим материалом. Шар нагревается и благодаря теплопроводности нагревает соединенный с ним конус, являющийся одновременно горячим спаем термоэлемента. Для уменьшения тепловых потерь за счет теплоизлучения конус покрыт отражающим материалом.

Тепло от холодного спая выводится на параболоидный диск, покрытый материалом с высокой излучающей способностью, и излучается с его поверхности в пространство. Используя такие единичные элементы, можно образовать панель практически любой формы и любого размера. Экспериментальные и расчетные проверки этой конструкции позволяют получить удельную мощность системы энергоснабжения спутника Земли (при наличии аккумулятора) 17,9 вт/кг или 22,5 вт/кг в зависимости от наличия или отсутствия системы ориентации. Эти данные справедливы для установки мощностью 1,5 квт.
в) Термоэлектрогенераторы, получающие тепловую энергию за счет ядерных реакций. Такие генераторы тоже пригодны как для спутников различного назначения, так и для наземных установок, преимущественно для автоматических устройств, расположенных вдали от жилья человека.
Ядерные источники энергии могут применяться двух типов. Первый основан на использовании энергии, выделяющейся при распаде радиоактивных изотопов. Второй основан на применении ядерных реакторов. Выделяющееся в этих источниках тёпло с помощью термоэлектрического преобразователя превращается в электроэнергию, которую можно использовать для различных целей.
Источник электроэнергии первого типа был применен для практических целей в июне 1961 года на американском спутнике «Транзит 1VA». В качестве ядерного топлива в этом генераторе был применен плутоний-238. Генератор массой 2,1 кг давал мощность 2,7 вт. Летом того же года в 1100 км от Северного полюса американцами была установлена автоматическая метеостанция с термоэлектрогенератором, получающим тепло от радиоактивного изотопа — титаната стронция, к которому были подведены горячие спаи термоэлементов. Тепло от холодных спаев отводилось через корпус и свинцовую биологическую защиту в окружающую среду. Позднее были разработаны аналогичные источники питания для навигационных буев и для других целей.
В Советском Союзе успешно прошел испытания термоэлектрогенератор с радиоактивным источником тепла, получивший название «Бета-1». Этот генератор предназначен для питания электроэнергией типовых автоматических радиометеорологических станций.

Запас радиоактивного изотопа позволяет работать такой станции в течение года. В генераторе применяются термоэлементы, изготовленные из тройных полупроводниковых сплавов. С помощью соответствующих накопителей создается электрическая мощность в 150—200 вт, которая достаточна для работы радиопередатчика с радиусом действия 200—600 км.
В термоэлектрогенераторах подобной системы количество энергии, которое выделяется радиоактивным изотопом, не остается постоянным, а постепенно уменьшается. Чем меньше период полураспада данного радиоактивного вещества, тем быстрее уменьшается количество выделяемой энергии. Но потребители энергии на спутнике или в другом устройстве со временем не теряют «аппетита», и расход ими энергии не уменьшается (а иногда увеличивается). Следовательно, необходимо обеспечить нормальную работу всех потребителей энергии во время всего расчетного периода действия устройства. Для этого в генератор закладывают такое количество радиоактивного вещества, которое даже в конце расчетного периода выделяло бы достаточно энергии для работы всех потребителей. Но отсюда вытекает, что в начале работы энергии будет выделяться значительно больше, чем требуется.
В табл. 3 приводятся некоторые данные по американским термоэлектрогенераторам с радиоактивными изотопами в качестве источников тепла. Первые два генератора были изготовлены к моменту опубликования этих данных в американской печати, остальные находились в стадии разработки, и производились испытания отдельных элементов.
В качестве примера из этой группы термоэлектрогенераторов рассмотрим генератор SNAP 1 А. Контейнер, содержащий радиоизотоп, представляет собой цилиндрический блок диаметром 96 мм, длиной 410 мм. В блок вставлены семь труб из нержавеющей стали, заполненных шариками из окиси церия. Заряженный радиоизотопом блок можно перевозить отдельно от всей остальной системы в специальном транспортном контейнере и устанавливать в генератор перед его запуском.

Таблица 3

Тепловая энергия, выделяющаяся в этом блоке, излучается на внутренние экраны из нержавеющей стали, которые выполняют роль горячих спаев термоэлементов. Тепловая энергия, не преобразованная в электроэнергию, проходит через термоэлементы и излучается с внешнего алюминиевого экрана. В первый момент после загрузки в генератор свежего радиоизотопа тепловая мощность источника энергии равна примерно 6000 вт. После работы в течение расчетного периода (один год) мощность уменьшится до 2700 вт. Для обеспечения постоянной температуры горячего спая термоэлементов при различных мощностях источника энергии служит специальный клапан, приводимый в действие ртутным паром, который регулирует величину облучаемой поверхности внутреннего экрана.
Рассмотрим американский генератор для подводных сейсмических станций. В качестве источника энергии для него взят радиоизотоп цезий-137, который является более умеренным источником β-излучения, чем другие изотопы, о которых говорилось ранее. В связи с этим генератор конструктивно проще других, так как не требует массивной защиты от радиации. Считается, что по своей стоимости такой генератор вполне может соперничать с большинством портативных химических источников тока, которые можно применить для подобных целей. Сравнительные данные приведены в табл. 4.
Таблица 4

В качестве материала для термоэлементов в этом генераторе, как впрочем и в большинстве других, применен теллурид свинца. Для соединения термоэлементов в батарею используются печатные схемы. Температура горячего спая равна 773° К, температура холодного спая 373° К. Коэффициент полезного действия материала достигает 14,9 %.
В качестве примера термоэлектрогенератора с ядерным реактором рассмотрим советский преобразователь «Ромашка» (рис. 3). Тепло в нем получается за счет деления урана-235 в активной зоне высокотемпературного реактора. Цилиндрическая активная зона реактора состоит из пластинчатых тепловыделяющих элементов и графитовых конструкций. Она окружена бериллиевым отражателем, который возвращает быстрые нейтроны в активную зону и позволяет обеспечить начало цепной реакции с меньшим количеством урана. Температура в центре зоны превышает 2000° К. Для поддержания заданной мощности имеется автоматическое регулирующее устройство. С наружной стороны отражателя установлены термоэлементы, горячие спаи которых нагреваются за счет выделяющегося в реакторе тепла. Элементы соединены между собой и обеспечивают получение электрического тока в 88 а. Электрическая мощность «Ромашки» составляет 500 вт.
В настоящее время уделяется большое внимание созданию новых полупроводников, которые обладали бы низкой теплопроводностью, высокой подвижностью носителей (электронов), большими эффективными массами и др. Но беда в том, что эти качества никак не удается собрать в каком-либо одном материале. Нужная теплопроводность получена у одного материала, подвижность носителей — у другого и т. д.
В связи с этим специалисты известной электротехнической фирмы «Белл» высказывают мнение, что если удастся объединить все положительные свойства в одном полупроводнике, то разработанный на основе такого полупроводника термоэлектрогенератор сделал бы бессмысленным применение таких «отсталых» машин, как двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины.

Рис. 3. Термоэлектрогенератор «Ромашка»

Военно-морские силы США уделяют большое внимание исследованию термоэлектрогенераторов. Эта работа проводится на военно-морской инженерно-экспериментальной базе. По мнению американских специалистов, несмотря на сравнительно низкий к. п. д., уже в настоящее время термоэлектрогенераторы целесообразно применять в тех случаях, когда необходимы простота конструкции источника электроэнергии, отсутствие в нем движущихся частей, бесшумная работа. Такие генераторы могут применяться в качестве портативных источников энергии для средств связи и наблюдения на некоторых судах и для других целей.
На этой экспериментальной базе всесторонне изучались факторы, влияющие на экономичность генераторов, их прочность и надежность, исследовались эксплуатационные характеристики термоэлектрических устройств. Проведенные работы показали, что термоэлектрогенераторы достаточно надежны в эксплуатации. Например, генератор мощностью 2,5 квт, состоящий из 1322 термоэлементов, работал периодически в течение 18 месяцев, и за это время было отмечено только одно повреждение в термоэлектрической цепи, вызванное действием термических напряжений.