В отличие от магнитогидродинамического генератора, использующего явление электромагнитной индукции и позволяющего в цепи преобразований энергии сэкономить одну ступень (вращение твердого тела), термоэлектрические генераторы основаны на непосредственном превращении теплоты в электроэнергию, что позволяет избежать еще одной ступени — перехода теплоты в энергию потока газа или пара. Явление термоэлектрического тока было открыто еще в 1821 году Зеебеком. До недавнего времени оно практически применялось главным образом для измерения температуры и для обнаружения небольшого количества тепла (во всякого рода автоматических устройствах, связанных с нагревом тел, и т. д.).
Можно ли использовать термоэлементы и их сочетание в виде батареи иначе — для генерации электроэнергии? Сам по себе этот вопрос также не нов; первый термогенератор электроэнергии был построен еще в начале века. Однако и мощность, и к. п. д. термоэлемента, как генератора, оказались очень невысокими.
Выясним, отчего это происходит. Цепь термоэлемента в простейшем случае (рис. 8, а) состоит всего из двух разнородных проводников / и //. Один их спай поддерживается при более высокой температуре T1; противоположный спай В все время охлаждается и имеет более низкую температуру В таком случае происходят два явления.
Во-первых, в этой цепи появляется э. д. с. и течет электрический ток. Э. д. с. термоэлементов малы (доли вольта), а потому и мощность термоэлектрического тока мала. Причина этого в следующем. В основе этих явлений лежит контактная разность потенциалов, появляющаяся между двумя соприкасающимися проводниками. Она обусловлена тепловым движением носителей зарядов в проводниках — свободных электронов или «электронных дырок» (см. ниже). Проще всего пояснить дело в том случае, если в одном проводнике (/) имеются отрицательные носители (электроны), а в другом (//) — положительные («дырки»). Тогда вследствие теплового движения в месте соприкосновения проводников из I в II перейдет некоторое число электронов, а из II в I перейдет какое-то число «дырок». В результате проводник I зарядится положительно, проводник // — отрицательно. Между проводниками появится напряжение—контактная разность потенциалов.
Она будет повышаться до тех пор, пока не затормозит дальнейшего перехода электронов и «дырок» из одного проводника в другой. Для оценки возникающей при этом разности потенциалов учтем, что средняя кинетическая энергия теплового движения электронов при температуре 7460°С равна одному электроновольту. Так как мы не можем нагреть твердый металл до температуры выше 3500°С (при этих температурах самые тугоплавкие металлы плавятся), то нельзя ожидать возникновения большого напряжения таким путем. Действительно, контактная разность потенциалов не превышает нескольких вольт. Эта разность зависит от материалов проводников, но, кроме того, зависит еще от температуры спая или контакта. Если температура одного контакта больше, чем другого, то контактные разности потенциалов в них различны. Термоэлектродвижущая сила термоэлемента не просто разность потенциалов, это разность контактных разностей потенциалов двух спаев — горячего и холодного. Поэтому это еще меньшая величина, чем напряжение в одном спае:, термоэлектродвижущая сила термоэлемента не превышает долей вольта.
Во-вторых, наряду с электрическим током, который мы можем извлечь из термоэлемента, в нем течет и второй поток — это поток тепла от нагретого спая к холодному спаю В. Этот поток течет по обоим проводникам I и II параллельно; он течет и в том случае, если электрическая цепь термоэлемента где-либо разомкнута. Пользы от этого тепла нет; это просто потеря тепла. Есть и другие явления, на которых мы здесь не останавливаемся, но которые также связаны с передачей теплоты, например перенос тепла в местах спая проводников при протекании электрического тока (так называемая теплота Пельтье).
В схеме, изображенной на рис. 8,а, термоэлемент замкнут накоротко и электрический ток не уходит во внешнюю сеть., Чтобы использовать электрический ток термоэлемента, мы должны какой-нибудь из проводников термоэлемента разрезать (рис. 8,б) и включить в разрез нагрузку, обычно через соединительные проводники III. Потерь тепла мы, к сожалению, устранить этим не можем, так как у внешних концов проводников I и II должна поддерживаться низкая температура Т2.
1 Возможны случаи, когда носителями тока в обоих проводниках являются электроны, но концентрации их различны (например, в I их больше, чем в II). Тогда электроны будут в большем количестве переходить из I в II, чем наоборот. В этом случае II приобретет лишние электроны и зарядится отрицательно; I, потеряв часть электронов, приобретает заряд +.
Чтобы получить сколько-нибудь заметную для целей энергетики э. д. с., мы должны соединить термоэлементы последовательно в виде батареи. На схеме (рис. 8,в) показан ряд термоэлементов, включенных последовательно. Здесь два металла. Но если электрически термоэлементы соединены последовательно, то в смысле потери тепла они оказываются соединенными параллельно: потоки тепла идут от нагревателя (Т1) к холодильнику (Т2) по всем проводникам в одну сторону и потому складываются. Поэтому в любой термобатарее большая доля теплоты теряется безрезультатно.
Рис. 8. Электрические и тепловые токи в термоэлементах: а — простейшая термопара, замкнутая накоротко; б — термопара с присоединенной нагрузкой; в — термобатарея с присоединенной нагрузкой.
Коэффициент полезного действия батареи термоэлементов, как у любой тепловой машины, тем выше, чем выше температура нагревателя Т1 и чем ниже температура холодильника Т2. Далее, к. п. д. зависит от соотношения между внутренним сопротивлением термобатареи и сопротивлением нагрузки; это также общее положение, относящееся к любому источнику тока. Наконец, к. п. д. термобатареи зависит еще от некоторой характеристики материалов самой батареи (ее можно назвать термоэлектрической «добротностью» материала), учитывающей термоэлектродвижущую силу, электропроводность и теплопроводность материала1. Добротность у металлов обычно порядка 10-5 1/град; у полупроводников она выше и может доходить до 1,5-2 · 10-3 1/град.
Сказанное объясняет, почему из металлических термоэлементов не получались (и не видно, чтобы могли получиться); источники электроэнергии с к. п. д., превышающим 1—2%. Но сейчас возможности техники расширились: наряду с металлическими проводниками мы теперь широко пользуемся полупроводниковыми материалами.
Таблица 2
Их основное отличие от металлов в данном случае состоит в возможности получения большей термоэлектродвижущей силы α на один градус разности температур, т. е. в большей добротности. Объясняется это следующим. В металле нагрев только ускоряет движение электронов; концентрация свободных электронов в металле практически не меняется. В полупроводниках свободных электронов при низких температурах мало, но при повышении температуры количество свободных электронов быстро растет. Средняя скорость теплового движения электронов в полупроводниках также растет быстрее, чем в металле.
Рис. 9. Термоэлектрический генератор, нагреваемый выхлопными газами.
Уже сейчас известны полупроводниковые термоэлементы, которые развивают термоэлектродвижущую силу на порядок большую (от 0,1—0,2 до 1 милливольта на градус), чем металлы (сотые доли милливольта на градус). Это позволяет получить полупроводниковые термоэлементы с к. п. д. до 10—15%. Поэтому вопрос о генерации электроэнергии с помощью термобатарей уже начинает становиться серьезным.
Техника пока еще только осваивает этот вид генераторов электроэнергии. Уже несколько лет, как выпущены в продажу термобатареи ТГК-3 с подогревом от керосиновой лампы и воздушным охлаждением с помощью радиатора, предназначенные для питания радиоприемников в местностях, где нет электросети; мощность их порядка нескольких ватт. Опи разработаны Ленинградским институтом полупроводников под руководством акад. А. Ф. Иоффе. Более крупные термобатареи описаны в литературе и существуют пока в виде образцов. Ряд фирм в разных странах построил для питания электроэнергией кораблей — морских (особенно подводных), воздушных и космических — термобатареи на 2,5; 5 и 10 кВт. Простейшая схема устройства такой батареи показана на рис. 9. Термоэлементы этой батареи составлены из кольцевых или воронкообразных проводников, соединенных между собой попеременно по окружности то большего, то меньшего диаметра. Термоэлементы располагаются в стенке между внутренним каналом, по которому протекает горячий газ («нагреватель»), и наружной полостью, служащей рубашкой охлаждения, или заменяющим ее радиатором. Горячие спаи термоэлементов обращены внутрь, к нагревателю; холодные спаи — наружу, к холодильнику. Нагрев может производиться либо пламенем специальной горелки, вставленной внутрь, либо потоком топочных газов или выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Можно также использовать для этой цели газ, нагреваемый ядерным реактором. Охлаждение производится либо жидкостью, протекающей по наружной рубашке (вода, масло), либо потоком холодного воздуха, либо излучением.
Рис. 10. К. п. д. паровой и термоэлектрической электростанций в зависимости от максимальной температуры.
Об экономических перспективах этого пути в промышленной энергетике можно судить из анализа на рис. 10. Если удастся освоить термоэлементы с добротностью Z≈5:7·10-3, то можно будет достичь к. п. д. 25—30% при рабочих температурах — 800°С. Они еще будут уступать по к. п. д. паровым ТЭС высокого давления. Но так как оборудование термоэлектрических ТЭС будет гораздо проще (отсутствуют котельная и паровая турбина), то, как подсчитали английские исследователи, можно ожидать, что стоимость электроэнергии термоэлектрических ТЭС даже в этих условиях окажется ниже, чем у паровых ТЭС. Однако такая добротность термоэлементов пока еще не достигнута, и ТЭС на этом принципе еще не строят.
