Generatori termoelettrici di energia elettrica TEG
Il materiale racconta i principi di funzionamento dei generatori termoelettrici e le loro aree di applicazione.
La parte del leone dell'energia elettrica è oggi prodotta dalle centrali termiche. Bruciando combustibile fossile, le turbine dei generatori elettrici vengono messe in moto nelle stazioni per mezzo di un vettore termico intermedio (vapore surriscaldato). La catena di produzione dell'energia è complessa, pericolosa e costosa. Ma ti consente di creare unità potenti per generare energia elettrica ad alta efficienza (efficienza).
Esiste un'alternativa per una più facile conversione del calore in elettricità? La fisica dice di sì. La tecnologia dice: "Non ancora". Su chi ha ragione e quali sono le difficoltà sulla via della conversione del calore in energia, il materiale di questo articolo. Il metodo di conversione diretta del calore in corrente elettrica è noto fin dal 1821, quando fu scoperto il fenomeno della termoelettricità, oggi noto come effetto Seebekov.
Quando il contatto di due metalli diversi viene riscaldato, si verifica una differenza di potenziale alle estremità dei fili e, quando vengono chiusi, una corrente inizia a fluire attraverso il circuito. I fisici si sono presto resi conto che l'entità della corrente dipende direttamente dal tipo di materiali, dalla differenza di temperatura tra le giunzioni fredde e calde del metallo, dalla conduttività termica e dalla resistenza dei metalli. Grandi differenze di temperatura e alta conducibilità aumentano la corrente, mentre l'alta conducibilità termica indebolisce l'effetto.
Dopo lunghi tentativi di creare un generatore termoelettrico (TEG) utilizzando metalli, anche nobili, questa idea è stata abbandonata. I metalli hanno una bassa resistenza, che consente di separare la giunzione spaziale fredda e calda, ma l'elevata conduttività termica e, di conseguenza, il flusso di calore dall'esterno riducono l'efficienza degli elementi. L'efficienza risultante degli elementi TEG in metallo non supera l'1-2%. L'effetto è stato dimenticato per molto tempo e le giunzioni di metalli dissimili sono state utilizzate solo nella tecnica di misurazione. Queste sono termocoppie familiari per misurare le temperature.
Oggi i discendenti del primo generatore servono geologi, turisti e semplicemente residenti di aree remote.La potenza di tali generatori è piccola, da 2 a 20 watt. I generatori più potenti (da 25 a 500 W) sono installati sui principali gasdotti per alimentare utensili o protezione catodica di tubi. Generatori di 1 kW o più apparecchiature per stazioni meteorologiche, ma richiedono fonti di calore ad alta temperatura: ad esempio gas.
Non c'è molto da dire sui generatori esotici che convertono il calore del decadimento radioattivo direttamente in elettricità: una portata troppo ristretta e informazioni sensibili. È noto solo che i singoli satelliti nello spazio sono dotati di tali installazioni per l'alimentazione continua dell'apparecchiatura.
Come esempio di prodotti moderni, considera i parametri termogeneratore tipo B25-12... La sua potenza elettrica in uscita è di 25 W a una tensione di 12V. La temperatura di lavoro della zona calda non supera i 400 gradi, il peso arriva fino a 8,5 kg, il prezzo è di circa 15.000 rubli. Tali generatori (di solito almeno 2) vengono utilizzati insieme a una caldaia a gas per il riscaldamento degli ambienti.
Secondo lo stesso principio, modelli TEG più potenti con una potenza di 200 watt. In tandem con una caldaia a gas per il riscaldamento dei cottage, forniscono elettricità non solo per l'automazione della caldaia e della pompa di circolazione dell'acqua, ma anche per gli elettrodomestici e l'illuminazione.
Nonostante la sua semplicità e affidabilità (nessuna parte in movimento), il TEG non è stato ampiamente adottato. La ragione di ciò è l'efficienza estremamente bassa, che non supera il 5-7% anche con materiali semiconduttori. Le aziende che sviluppano tali generatori li realizzano in piccoli lotti su ordinazione. La mancanza di domanda di massa porta a prezzi elevati dei prodotti.
La situazione potrebbe cambiare con la comparsa di nuovi materiali per convertitori termici... Ma finora la scienza non ha nulla di cui vantarsi: i migliori campioni TEG non sono riusciti a superare il fattore di efficienza del 20%. In questa situazione, gli opuscoli pubblicitari di TEG, in cui l'efficienza dichiarata è superiore al 90%, sembrano piuttosto divertenti. Forse è tempo che gli scienziati imparino dagli zelanti venditori?