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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Thermoelektrische Generatoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Thermoelektrischer Generator – ein Gerät zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Thermoelektrische Generatoren werden auf Basis von Thermoelementen hergestellt. Die effizientesten Thermogeneratoren nutzen komplexe Halbleiterverbindungen; Ihre Leistung kann mehrere zehn Watt erreichen, der Wirkungsgrad beträgt 20 % (bei einem Temperaturunterschied zwischen heißen und kalten Verbindungen von Thermoelementen – etwa 1000 K). Dieses Jahr sind besonders effektiv bei der Nutzung der beim Betrieb von Raketentriebwerken, Kernreaktoren, Hochöfen usw. freigesetzten Wärme. Der thermoelektrische Generator dient dazu, verschiedene Funkgeräte, Kommunikations- und Beleuchtungsgeräte mit Strom zu versorgen und Batterien aufzuladen. Es wandelt die Wärme häuslicher Quellen (Kerogas, Herd, Gasbrenner, Ofen, Feuer) in elektrische Energie um. 1. Thermoelektrische Festbrennstoffgeneratoren TEG wird mit Holzkohle betrieben und mit Wasser oder Luft gekühlt. Das Strukturdiagramm ist in Abb. dargestellt. 7.3. Ihre Hauptmerkmale sind in der Tabelle aufgeführt. 7.1.
Tabelle 7.1. Eigenschaften von TEG auf Holzkohle
TEG mit Erwärmung der heißen Verbindungen durch Verbrennen von Holzkohle und Kühlung der kalten Verbindungen mit kochendem Wasser (siehe Abb. 7.4, 7.5) verfügt über einen gusseisernen Ofen 6, in dem Kohle verbrannt wird, die durch den Hals 4 in den Trichter 1 geladen wird. Verbrennungsprodukte verlassen durch Rohr 2 Im Raum zwischen dem Innengehäuse 3 und dem Außengehäuse 5 befindet sich kochendes Wasser, das die Temperatur der Kaltstellen des TEEL auf etwa 100°C hält. Die Thermoelemente 8 sind durch dünne Glimmerschichten elektrisch von der Installationsstruktur isoliert. Der thermische Kontakt zwischen Gehäuse 3 und TEEL wird durch eine dazwischen gegossene Schmelzlegierung hergestellt.
Der TEG verfügt über zwei unabhängig voneinander arbeitende TEEL-Batterien: eine für die Stromversorgung der Heizkreise, die andere für die Stromversorgung (mit Hilfe eines Vibrationswandlers) der Anoden- und Gitterkreise. Die Nachteile eines solchen TEEL: die Schwierigkeit, einen thermischen Kontakt zwischen dem TEEL und dem Kühlschrank herzustellen, das Vorhandensein von kochendem Wasser und die Schwierigkeit, den Kohleofen zu steuern.
TEG auf Holz und Kohle Die Weiterentwicklung von Festbrennstoff-TEGs führte zur Entwicklung mehrerer weiterer Modelle größerer TEGs mit einer Leistung von bis zu 500 W oder mehr. Bei diesen Einheiten handelte es sich um Öfen, die mit Kohle oder Holz betrieben wurden und in deren Wände Thermosäulen eingebaut waren. Als Beispiel nennen wir Generatoren, die für den hohen Norden mit 200 und 500 W ausgelegt sind und mit jedem Brennstoff betrieben werden – Holz, Kohle, Öl. Ein 200-W-Generator verbrauchte in einer Stunde etwa 2 kg Brennholz. Es sollte Strom, Warmwasser oder Dampf für die Tierhaltung erzeugen. Der TEG-Betrieb mit Kohle ist jedoch instabil, da es schwierig ist, eine gleichmäßige Brennstoffversorgung sicherzustellen. Die nächste Inbetriebnahme des TEG erforderte eine Vorreinigung des Ofens, das Erreichen der Stromversorgung dauerte lange usw. Daher ging die Weiterentwicklung von TEG den Weg der Verwendung von flüssigem Kraftstoff. Zwischen-TEGs für feste und flüssige Brennstoffe Die Vorteile flüssiger Brennstoffe haben zur Entstehung von Zwischenkonstruktionen geführt, die sowohl für den Betrieb mit flüssigen als auch mit festen Brennstoffen geeignet sind. Zu diesen Strukturen gehört die in Abb. 7.6 Schema der TEG-Installation nach dem amerikanischen Patent.
Dabei werden 145 thermoelektrische Elemente aus Draht mit einem Durchmesser von 0,5 mm mit kalten Enden in den Boden eines Bakelitbechers mit einem Durchmesser von 5 cm eingebettet, der von einem Stativ getragen wird. Die heißen Enden der Elemente werden durch die Flamme eines herkömmlichen Alkoholbrenners erhitzt. Ein TEEL-Zweig besteht aus Konstantan, der andere aus einer Legierung aus Nickel (91 %) und Molybdän (9 %). Die Ausgangsspannung des Generators beträgt 6 V. Diese Schaltung ist der TEG-1-Schaltung sehr ähnlich, jedoch in einem anderen Design: mit Metallbrennstoffzellen und dem Ersatz des Feuers durch einen Alkoholbrenner. 2. Thermoelektrische Flüssigbrennstoffgeneratoren TEG auf Kerosin vom Typ TGK-1, TGK-3 und TGK-2-2-TEG auf Kerosin basieren auf der Verwendung herkömmlicher Kerosinlampen als Wärmequelle und sind neben der Stromerzeugung auch Lichtquellen. Die Konstruktionsschemata von TGK-1, TGK-3 und TGK-2-2 sind die gleichen: Glühlampenverbrennungsprodukte von Kerosin erhitzen heiße Verbindungen von TEEL aus SbZn und Konstantan, kalte Verbindungen haben Luftkühlrippen. Die Leistung von TGC-1 beträgt etwa 1,6 W, TGC-3 etwa 3 W. Die Hauptmerkmale von TGK-3 sind in der Tabelle aufgeführt. 7.2. Tabelle 7.2
Auf Abb. In Abb. 7.7 zeigt den TGK-3-Generator, der sich in seinem grundsätzlichen Aufbau kaum vom TGK-1 unterscheidet, aber über mehr Leistung verfügt. Dieser TEG verwendet eine Kerosinlampe 20 und 8 mit rundem Docht und 7 Leitungen sowie ein Metall-Wärmerohr. 2 und 6 in Abb. dargestellt. 7.7, hat 14 Gesichter für TEEL. Jeder TEEL-Block wird wie bei TGC-3 durch eine unabhängige Doppelrippe 1 gekühlt. Die Höhe des TGC-3 von der Unterkante der Lampe 8 bis zum Ring 1 beträgt ca. 1 m, der Strahlerdurchmesser beträgt 300 mm. Eine einzige Ladung der Lampe reicht für etwa 10 Stunden Betrieb. Die von TGK-3 erzeugte Energie reicht völlig aus, um verschiedene Funkempfänger und andere Geräte mit Strom zu versorgen, die eine Spannung von 1 - 2 V bei einem Strom von 0,3 - 0,5 A und eine Spannung von 90 - 120 V bei einem Strom von 8 - 11 verbrauchen mA. 3. TEG mit gasförmigem Brennstoff Die Verwendung von Gas vereinfacht die Regulierung der Wärmezufuhr (leicht zu erreichen durch Regulierung des Gasdrucks im Brenner), gewährleistet eine gute Verbrennung des Brennstoffs bei verschiedenen Temperaturen und geht nicht mit der Ansammlung von Schlacke einher. All dies schafft Voraussetzungen für einen langfristigen und stabilen Betrieb des TEG. Die fünfziger Jahre sind insbesondere durch den Bau von Pipelines geprägt, um Erdgas und Öl über große Entfernungen zu den Verbrauchszentren zu transportieren. Damit verbunden ist der Beginn des weit verbreiteten Einsatzes von mit gasförmigem Brennstoff betriebenen TEGs in unserem Land zum kathodischen Schutz von Gaspipelines und anderen Pipelines vor Korrosion (in Gebieten ohne Kraftwerke), zur Gewährleistung der Sicherheit von Pipelines bei minimalen Kosten und auch für andere Zwecke. Gasleitungen, die sich im Bereich vagabundierender Strömungen oder in aggressiven Böden befinden, versagen schnell, weil an Stellen, an denen die Isolierung der Rohrleitungen gebrochen ist, Muscheln, Fisteln und andere Schäden auftreten. Die Kathodenschutzstation für Rohrleitungen ist eine Gleichstromquelle mit einer Leistung von bis zu 0,5 - 1 kW bei 10 - 20 V, deren Minuspol über ein isoliertes Kabel mit der Gasleitung verbunden und der Pluspol geerdet ist. Für den kathodischen Schutz wurden in Russland mehrere TEG-Typen mit einer Leistung von 10 bis 300 W entwickelt, darunter TGG-10 und TGG-16. Sie verfügen jeweils über eine TEEL-Batterie und werden mit Gas betrieben. Batterien bestehen aus separaten Abschnitten. Die heiße Verbindungsstelle wird gegen die Silumin-Wärmeübertragungsvorrichtung gedrückt, und die kalte Verbindungsstelle wird gegen die Kühlrippen aus Aluminium gedrückt. Die Batterie ist ein Zylinder, in dessen unterem Teil sich ein Gasbrenner (PB-40-4) befindet, dem Gas unter einem Überdruck von etwa 0,015 atm zugeführt wird. Die TEG-Einheit verfügt über ein Magnetventil, mit dem die Kraftstoffzufuhr unterbrochen werden kann. Normalerweise wird das TEG mit Gas über Gasleitungen versorgt, die mit den Häusern der Leitungsarbeiter verbunden sind. Der TGG-10-Generator unterscheidet sich grundsätzlich nicht von Allzweckgeneratoren, er verwendet lediglich einen Gasbrenner anstelle einer Petroleumlampe. Der TEG TGG-16 nutzt eine verbesserte Methode zur Wärmeabfuhr aus heißen Gasen mithilfe von Lochscheiben. Das Schema dieses TEG ist in Abb. dargestellt. 7.8. Diese Generatoren werden in weniger als 30 Minuten auf Betriebstemperatur aufgeheizt. Der Gasverbrauch (7000 – 8000 kcal/m) beträgt 0,1 – 0,2 m3/h. Niedriger thermischer Wirkungsgrad in diesen Anlagen ist unbedeutend, da der Gasverbrauch vernachlässigbar ist, Hauptsache Zuverlässigkeit und Einfachheit, niedrige Betriebskosten.
3. Thermoelektrische Generatoren, die mit Sonnenenergie betrieben werden Solar-TEG für Weltraumzwecke. TEG, dessen Schema in Abb. dargestellt ist. 7.9 basiert auf der Verwendung von kleinem TEEL mit einem Volumen von etwa 2,5 mm3, das in einer Menge von etwa 3000 Stück zwischen zwei parallelen Platten (z. B. Metallfolie) platziert wird. pro 1 m2; TEEL sind von den Platten isoliert und seriell parallel geschaltet. Im Weltraum erwärmt sich eine der Sonne zugewandte Platte auf bis zu 300 °C, während die andere (Kaltstellen) eine Temperatur von etwa 70 °C aufweist. Jeder TEEL in diesem Design kann eine Leistung von etwa 10 MW bei einem Wirkungsgrad von etwa 2 % erzeugen. 1 m2 thermoelektrisches Panel des Modells wiegt 10 kg und kann ca. 30 – 40 W/m Strom erzeugen. Ein solcher Solargenerator für ein Raumfahrzeug wurde in Form einer Kassette mit einer Oberfläche von 30 cm mit 12 Reihen TEELs, 12 TEELs in jeder Reihe, hergestellt. Es zeichnete sich dadurch aus, dass es bei Erwärmung durch die Sonne im Weltraum eine Leistung von 2 W erzeugte. Solar-TEGs mit flachen Heizflächen ermöglichen aufgrund der geringen Temperaturunterschiede zwischen Heiß- und Kaltstellen keinen guten TEEL-Wirkungsgrad (insbesondere unter terrestrischen Bedingungen). Die besten Ergebnisse können mit Solarenergiekonzentratoren erzielt werden, allerdings ist die Konstruktion dadurch komplizierter.
4. Thermoelektrische Generatoren mit Solarenergiekonzentratoren Wie bereits erwähnt, wächst die Effizienz von TEEL proportional zum Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Verbindungsstelle und zusätzlich zur absoluten Temperatur der heißen Verbindungsstelle. Daher wird eine spürbare Steigerung der thermischen Effizienz des TEG durch den Einsatz von Solarenergiekonzentratoren erreicht, die es ermöglichen, die Temperatur der heißen Verbindungsstelle des TEEL auf bis zu 1000 °C zu erhöhen. Ein thermoelektrischer Solargenerator mit Konzentrator ist eine Thermosäule, die in der Brennzone eines sphäroidischen oder zylindrischen Spiegels installiert ist (Abb. 7.10). Die vom Spiegel gesammelten Sonnenstrahlen werden auf die Oberfläche der Hot Junctions gelenkt und erhitzen diese. Kaltstellen werden durch Luft, Wasserstrahler oder durch Strahlung gekühlt. Es wurden verschiedene Modelle von Solar-TEG mit Wärmekonzentratoren entwickelt, darunter solche mit großen und kleinen Konzentratoren sowie mit Wärmespeichern. Ein gravierender Nachteil von Solar-TEGs mit Energiekonzentratoren sind die hohen Kosten der Konzentratoren selbst.
1 - Parabolreflektor; 2 - Solarwärmeempfänger; 3 - TEEL; 4 - Kühlkörper Thermoelektrische Generatoren mit einigen anderen Wärmequellen Die Möglichkeit, andere Wärmequellen mit großen und kleinen Temperaturunterschieden zur Stromerzeugung mit TEEL zu nutzen (geothermales Wasser, menschliche Körperwärme, Abgase von Raketenwerfern usw.), hat in einer Reihe einzigartiger TEG-Designs ihre Umsetzung gefunden. Für sie eignen sich am besten thermoelektrische Materialien mit hohem Qualitätsfaktor bei niedrigen Temperaturen. Zu diesen Materialien gehört Bleitellurid mit Zusatz von 0,1 % Natrium, dessen Qualitätsfaktor 0,8-10 beträgt-3 (Grad)-1 bei 200°C und 1,410-3 (Grad)-1 bei 0 °C. Die Nutzung von Wärme aus geothermischen Gewässern kann von großer praktischer Bedeutung sein. Es wurden experimentelle TEG-Proben erstellt, die für die Nutzung der Wärme natürlicher heißer Quellen geeignet sind. Der nicht ausreichend hohe thermische Wirkungsgrad eines solchen thermoelektrischen Geothermiekraftwerks kann durch die Einfachheit und Zuverlässigkeit des TEG, die Möglichkeit, ohne Wartungspersonal zu arbeiten, ausgeglichen werden. Die Wärme des menschlichen Körpers kann auch genutzt werden, um einen Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Verbindungsstellen des TEEL zu erzeugen. Solche TEGs aus guten TEMs können eine Leistung von 0,01 W oder mehr liefern, wenn der Temperaturunterschied etwa 40 – 50 °C beträgt. Mehrere Dutzend Miniatur-TEELs bilden ein flexibles Armband, das am Handgelenk getragen wird. Ein solcher TEG kann insbesondere in kalten Klimazonen einen Transistorempfänger und -sender mit Strom versorgen. Ein weiteres Beispiel für Geräte dieser Art ist der japanische Festkörperfunkempfänger, der keine galvanischen Batterien oder Akkus benötigt. Hier befindet sich ein thermoelektrisches Gerät, das den nötigen elektrischen Strom liefert, wenn die Thermoplatte auf die Hand gelegt wird. Autor: Magomedov A.M.
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