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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Générateurs thermoélectriques. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Générateur thermoélectrique - un dispositif de conversion directe de l'énergie thermique en énergie électrique. Les générateurs thermoélectriques sont fabriqués à base de thermoéléments. Les thermogénérateurs les plus efficaces utilisent des composés semi-conducteurs complexes ; leur puissance peut atteindre plusieurs dizaines de watts, efficacité - 20% (avec une différence de température des jonctions chaudes et froides des thermoéléments - environ 1000 K). Cette année sont particulièrement efficaces lors de l'utilisation de la chaleur dégagée lors du fonctionnement des moteurs de fusée, des réacteurs nucléaires, des hauts fourneaux, etc. Le générateur thermoélectrique est conçu pour alimenter divers équipements radio, communications, éclairage et recharger les batteries. Il convertit la chaleur des sources domestiques (kérogaz, réchaud, brûleur à gaz, réchaud, feu) en énergie électrique. 1. Générateurs thermoélectriques à combustible solide TEG alimenté au charbon de bois et refroidi par eau ou air. Le schéma structurel est illustré à la fig. 7.3. Leurs principales caractéristiques sont présentées dans le tableau. 7.1.
Tableau 7.1. Caractéristiques du TEG sur charbon
TEG avec chauffage des jonctions chaudes en brûlant du charbon de bois et refroidissement des jonctions froides avec de l'eau bouillante (voir Fig. 7.4, 7.5) a un four en fonte 6, dans lequel le charbon est brûlé, chargé dans la trémie 4 à travers le col 1. Les produits de combustion partent à travers le tuyau 2 Dans l'espace entre l'enveloppe intérieure 3 et l'enveloppe extérieure 5, il y a de l'eau bouillante, qui maintient la température des jonctions froides du TEEL à environ 100°C. Les thermoéléments 8 sont électriquement isolés de la structure de l'installation par de fines couches de mica. Le contact thermique entre l'enveloppe 3 et TEEL est réalisé par un alliage fusible coulé entre eux.
Le TEG dispose de deux batteries TEEL fonctionnant indépendamment : l'une pour alimenter les circuits de chauffage, l'autre pour alimenter (à l'aide d'un transducteur de vibration) les circuits d'anode et de grille. Les inconvénients d'un tel TEEL : la difficulté d'établir un contact thermique entre le TEEL et le réfrigérateur, la présence d'eau bouillante et la difficulté de contrôler le four à charbon.
TEG sur bois et charbon La poursuite du développement des TEG à combustible solide a conduit à la création de plusieurs autres modèles de TEG plus grands d'une puissance allant jusqu'à 500 W ou plus. Ces unités étaient des poêles à charbon ou à bois, avec des thermopiles encastrées dans les murs. À titre d'exemple, nous donnons des générateurs conçus pour le Grand Nord à 200 et 500 W, fonctionnant avec n'importe quel combustible - bois, charbon, pétrole. Un générateur de 200 W consomme environ 2 kg de bois de chauffage en 1 heure. Il était destiné à produire de l'électricité, de l'eau chaude ou de la vapeur utilisée dans l'élevage. Cependant, le fonctionnement du TEG au charbon est instable en raison des difficultés à assurer un approvisionnement uniforme en combustible. Le démarrage suivant du TEG a nécessité un nettoyage préalable du four, la montée en puissance a pris beaucoup de temps, etc. Par conséquent, le développement ultérieur du TEG a suivi la voie de l'utilisation de carburant liquide. TEG intermédiaires pour combustibles solides et liquides Les avantages des combustibles liquides ont conduit à l'émergence de conceptions intermédiaires adaptées à un fonctionnement à la fois avec des combustibles liquides et solides. Ces structures comprennent celle illustrée à la Fig. Schéma 7.6 de l'installation TEG selon le brevet américain.
Ici, 145 éléments thermoélectriques constitués de fil de 0,5 mm de diamètre sont enchâssés à bouts froids dans le fond d'une coupelle en bakélite de 5 cm de diamètre supportée par un trépied. Les extrémités chaudes des éléments sont chauffées par la flamme d'un brûleur à alcool conventionnel. Une branche de TEEL est constituée de constantan, l'autre est constituée d'un alliage de nickel (91%) avec du molybdène (9%). La tension de sortie du générateur est de 6 V. Ce circuit est très similaire au circuit TEG-1, mais dans une conception différente : avec des piles à combustible métalliques et en remplaçant le feu par un brûleur à alcool. 2. Générateurs thermoélectriques à combustible liquide Les TEG au kérosène de type TGK-1, TGK-3 et TGK-2-2-TEG au kérosène sont basés sur l'utilisation de lampes à kérosène d'éclairage conventionnelles comme source de chaleur et, en plus de générer de l'électricité, sont des sources lumineuses. Les schémas de conception de TGK-1, TGK-3 et TGK-2-2 sont les mêmes : les produits de combustion incandescents de kérosène chauffent les jonctions chaudes de TEEL à partir de SbZn et de constantan, les jonctions froides ont des ailettes de refroidissement par air. La puissance de TGC-1 est d'environ 1,6 W, TGC-3 est d'environ 3 W. Les principales caractéristiques de TGK-3 sont présentées dans le tableau. 7.2. Tableau 7.2
Sur la fig. 7.7 montre le générateur TGK-3, qui, dans son schéma de conception de base, diffère peu du TGK-1, mais a plus de puissance. Ce TEG utilise une lampe à pétrole à mèche ronde de 20 lignes 8 et 7, et un caloduc métallique. 2 et 6 illustrés à la fig. 7.7, a 14 faces pour TEEL. Chaque bloc TEEL est refroidi par une double nervure indépendante 3, comme dans TGC-1. La hauteur du TGC-3 du bord inférieur de la lampe 8 à l'anneau 1 est d'environ 1 m, le diamètre du radiateur est de 300 mm. Une seule charge de la lampe suffit pour environ 10 heures de fonctionnement. L'énergie générée par TGK-3 est tout à fait suffisante pour alimenter divers récepteurs radio et autres appareils qui consomment une tension de 1 - 2 V à un courant de 0,3 - 0,5 A et une tension de 90 - 120 V à un courant de 8 - 11 mA. 3. TEG sur combustible gazeux L'utilisation du gaz simplifie la régulation de l'apport calorifique (réalisée facilement en régulant la pression du gaz dans le brûleur), assure une bonne combustion du combustible à différentes températures et ne s'accompagne pas d'accumulation de laitier. Tout cela crée les conditions d'un fonctionnement stable et à long terme du TEG. En particulier, les années XNUMX se caractérisent par la construction de pipelines pour acheminer le gaz naturel et le pétrole sur de longues distances jusqu'aux centres de consommation. À cela s'ajoute le début de l'utilisation généralisée des TEG fonctionnant au combustible gazeux dans notre pays pour la protection cathodique des gazoducs et autres canalisations contre la corrosion (dans les zones sans centrales électriques), pour assurer la sécurité des canalisations à un coût minimal, et aussi à d'autres fins. Les gazoducs situés dans le domaine des courants vagabonds ou dans des sols agressifs tombent rapidement en panne en raison de l'apparition d'obus, de fistules et d'autres dommages aux endroits où l'isolation des canalisations est rompue. La station de protection cathodique du pipeline est une source de courant continu d'une puissance allant jusqu'à 0,5 - 1 kW à 10 - 20 V, dont le pôle négatif est connecté au gazoduc avec un câble isolé et le pôle positif est mis à la terre. Pour la protection cathodique, plusieurs types de TEG ont été créés en Russie avec une puissance de 10 à 300 W, dont le TGG-10 et le TGG-16. Ils ont chacun une batterie TEEL et fonctionnent au gaz. Les batteries sont constituées de sections séparées. La jonction chaude est pressée contre le dispositif de transfert de chaleur en silumine, et la jonction froide est pressée contre les ailettes de refroidissement en aluminium. La batterie est un cylindre, dans la partie inférieure duquel est placé un brûleur à gaz (PB-40-4), auquel du gaz est fourni sous une surpression d'environ 0,015 atm. L'unité TEG dispose d'une électrovanne capable de couper l'alimentation en carburant. Habituellement, le gaz est fourni au TEG à partir de gazoducs reliés aux maisons des poseurs de lignes. Le générateur TGG-10 ne diffère fondamentalement pas des générateurs à usage général, il utilise uniquement un brûleur à gaz au lieu d'une lampe à pétrole. Le TEG TGG-16 utilise une méthode améliorée d'évacuation de la chaleur des gaz chauds à l'aide de disques perforés. Le schéma de ce TEG est illustré à la fig. 7.8. Ces générateurs sont chauffés à température de fonctionnement en moins de 30 minutes. La consommation de gaz (7000 - 8000 kcal/m) est de 0,1 - 0,2 m3/h. Faible efficacité thermique dans ces installations est insignifiante, car la consommation de gaz est négligeable, l'essentiel est la fiabilité et la simplicité, de faibles coûts d'exploitation.
3. Générateurs thermoélectriques alimentés par l'énergie solaire TEG solaire à usage spatial. TEG, dont le schéma est illustré à la fig. 7.9 est basé sur l'utilisation de petits TEEL d'un volume d'environ 2,5 mm3, placés entre deux plaques parallèles (par exemple, une feuille de métal) en une quantité d'environ 3000 pièces. pour 1 m2; Les TEEL sont isolés des plaques et connectés en série-parallèle. Dans l'espace, une plaque faisant face au Soleil chauffe jusqu'à 300°C, tandis que l'autre (jonctions froides) a une température d'environ 70°C. Chaque TEEL de cette conception peut produire une puissance d'environ 10 MW avec un rendement d'environ 2 %. 1 m2 de panneau thermoélectrique du modèle pèse 10 kg et peut produire environ 30 - 40 W/m d'électricité. Un tel générateur solaire pour engin spatial a été réalisé sous la forme d'une cassette d'une surface de 30 cm avec 12 rangées de TEEL, 12 TEEL dans chaque rangée. Il se caractérisait par la production de 2 W d'électricité lorsqu'il était chauffé par le Soleil dans l'espace. Les TEG solaires à surfaces chauffantes planes ne permettent pas d'obtenir un bon rendement du TEEL (surtout en conditions terrestres) du fait des faibles écarts de température entre les jonctions chaudes et froides. Les meilleurs résultats peuvent être obtenus en utilisant des concentrateurs d'énergie solaire, bien que cela complique la conception.
4. Générateurs thermoélectriques avec concentrateurs d'énergie solaire Comme déjà noté, l'efficacité de TEEL croît proportionnellement à la différence de température entre les jonctions chaude et froide et, en plus, à la température absolue de la jonction chaude. Par conséquent, une augmentation notable de l'efficacité thermique du TEG est obtenue en utilisant des concentrateurs d'énergie solaire, qui permettent d'augmenter la température de la jonction chaude du TEEL jusqu'à 1000°C. Un générateur solaire thermoélectrique à concentrateur est une thermopile installée dans la zone focale d'un miroir sphéroïdal ou cylindrique (Fig. 7.10). Les rayons solaires captés par le miroir sont dirigés vers la surface des jonctions chaudes et les réchauffent. Les jonctions froides sont refroidies par des radiateurs à air, à eau ou par rayonnement. Divers modèles de TEG solaires avec concentrateurs de chaleur, y compris ceux avec grands et petits concentrateurs, et avec accumulateurs de chaleur ont été développés. Un sérieux inconvénient des TEG solaires avec concentrateurs d'énergie est le coût élevé des concentrateurs eux-mêmes.
1 - réflecteur parabolique; 2 - récepteur de chaleur solaire ; 3 - TEEL ; 4 - dissipateur de chaleur Générateurs thermoélectriques avec quelques autres sources de chaleur La possibilité d'utiliser d'autres sources de chaleur, à la fois avec de grandes et de petites différences de température, pour produire de l'électricité à l'aide de TEEL (eau géothermique, chaleur du corps humain, gaz d'échappement des lance-roquettes, etc.) a trouvé sa mise en œuvre dans un certain nombre de conceptions TEG uniques. Pour eux, les matériaux thermoélectriques les plus appropriés avec un facteur de qualité élevé à basse température. Ces matériaux comprennent le tellurure de plomb additionné de 0,1% de sodium, dont le facteur de qualité est de 0,8 à 10-3 (deg)-1 à 200°C et 1,410-3 (deg)-1 à 0°C. L'utilisation de la chaleur des eaux géothermiques peut être d'une grande importance pratique. Des échantillons expérimentaux de TEG ont été créés qui conviennent à l'utilisation de la chaleur des sources chaudes naturelles. L'efficacité thermique insuffisamment élevée d'une telle centrale géothermique thermoélectrique peut être compensée par la simplicité et la fiabilité du TEG, la capacité de fonctionner sans personnel de maintenance. La chaleur du corps humain peut également être utilisée pour créer une différence de température entre les jonctions chaude et froide du TEEL. De tels TEG fabriqués à partir de bons TEM sont capables de fournir une puissance de 0,01 W ou plus si la différence de température est d'environ 40 à 50°C. Plusieurs dizaines de TEEL miniatures forment un bracelet souple porté au poignet. Un tel TEG peut alimenter un récepteur et un émetteur transistorisés, en particulier dans les climats froids. Un autre exemple d'appareils de ce type est le récepteur radio japonais à semi-conducteurs, qui n'a pas besoin de piles ou d'accumulateurs galvaniques. Il y a ici un appareil thermoélectrique qui fournit le courant électrique nécessaire si la thermoplaque est posée sur la main. Auteur : Magomedov A.M.
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