С л
ЭПЕКТРОСТвИиИЯ Ив СВЕЧЕ
V_)
А.В. ИВАНОВ, Д.Л. ШЧЕПАНОВИЧ
На сегодняшний день создание и освоение альтернативных источников энергии становится всё более актуальным. К сожалению, такие преобразователи, как ТЭГ (термоэлектрогенератор), большого распространения не получили, хотя они имеют широкий спектр применения: их можно использовать как дополнительный источник энергии в комбинации с другими преобразователями или, например, как утилизатор излишков теплоты. В настоящей статье представлены результаты исследования значимых характеристик ТЭГ при его работе от маломощного источника тепла. Для наглядной и убедительной демонстрации преимуществ такого преобразователя в качестве источника энергии использовалась обычная свеча. Цель исследования - поиск наиболее выгодных условий преобразования её тепла в ЭДС.
Сравнительная характеристика устройств, преобразующих тепло в электрическую энергию
Представим установку, преобразую-£ щую энергию сгорания топлива в ЭДС, £ в виде цепочки из трёх основных бло-1 ков (рис. 1):
§ • источник тепла (в нашем случае -° свеча);
| Рис. 1.
1 Принципиальная схема 1 преобразователя тепла £ в электрическую энергию.
• устройство, с помощью которого выделившееся тепло передается преобразователю (будем называть его теплообменником);
• собственно преобразователь, который превращает полученную энергию в ЭДС.
Очевидно, что общий КПД такого устройства будет равен произведению КПД составляющих его блоков.
Для промышленного производства электроэнергии в настоящее время в основном применяют электрические генераторы, использующие механическую работу. В этом случае преобразователь, о котором идёт речь в нашей схеме, состоит из теплового двигателя и электрического генератора, то есть процесс разбивается на два этапа. Основные потери в таком устройстве возникают именно на первом из них -в тепловом двигателе. Рассмотрим существенные особенности тепловых двигателей нескольких различных типов и сравнении их с ТЭГ.
Паровой двигатель и паровая турбина
Любая паровая машина представляет собой тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара во вращательное движение вала. В таких установках тепло от источника передают воде, которая впоследствии превращается в пар. КПД парового двигателя, выпускающего пар в атмосферу, находится в пределах от 1 до 8% при мощности порядка 100 кВт. Двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25% и даже более. При включении в схему пароперегревателя и регенератив-
16
© А.В. Иванов, Д.Л. Шчепанович
ного водоподогрева можно повысить КПД до 30-42%. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива используется для привода сначала газовой турбины, а затем - паровой турбины, достигают коэффициента полезного действия 50-60%, однако это оказывается возможным при мощности машины более 1 ГВт.
В соответствии с законами термодинамики высокие значения КПД в тепловых машинах получаются только при высоких температурах и давлениях рабочего тела. Во всех двигателях внешнего сгорания рабочее тело приходится охлаждать, а это приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей силовой установки из-за необходимости увеличивать радиаторы и применять различные дополнительные приспособления.
Двигатель Стирлинга
Это тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме. Периодический нагрев и охлаждение рабочего тела, приводящий к его расширению и последующему сжатию, позволяет преобразовывать тепло в механическую работу. Для работы такого двигателя не обязательно использовать
Рис. 2.
Устройство ТЭГ.
(Источник: Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания // Компоненты и технологии. № 12. 2010. Доступно: http://kryothermtec.com/ru/)
топливо. Подойдет любой источник тепла (в том числе, например, тепло, получаемое от Солнца). К сожалению, в нашей стране это устройство практически не получило распространения, и о его существовании знает только сравнительно небольшое количество специалистов. Его главным преимуществом является достаточно высокий КПД, который достигает значений 4050% при мощности порядка 100 кВт. Тем не менее, такой преобразователь является тепловой машиной, поэтому физические принципы повышения его КПД аналогичны рассмотренным для паровых машин. Очевидно, что и недостатки у них оказываются тоже общими. Существуют двигатели Стирлинга относительно небольших размеров, но даже при мощности в несколько сотен ватт их КПД не превышает нескольких процентов.
Термоэлектрический генератор
ТЭГ - устройство для прямого преобразования теплоты в электрическую энергию - изображено на рис. 2. Принцип его действия основан на эффекте Зеебека - ЭДС возникает за счёт разности температур на противоположных сторонах устройства. Собственно преобразователь, термоэлектрическая батарея, состоит из термоэлементов (последовательно или параллельно соединённых с помощью металлических контактов полупроводников разного типа проводимости), £ заключённых между двумя пластина- £ ми из электроизоляционного материа- | ла (обычно керамически- § ми), на одной из которых ° (горячий спай батареи) | устанавливается нагре- г ватель, а на другой (хо- § лодный спай) - охлади- Л тель. 1
По интервалу рабочих 1 температур ТЭГ подраз- ® деляют на низко-, средне- ^ и высокотемпературные (диапазоны температур
100 200 300 400 500 600 700 800
Т,° Су
Рис. 3.
Зависимость КПД
термоэлектрического
модуля
от температуры теплообменника.
Рис. 4.
Экспериментальная установка.
Рис 5.
Зависимость мощности свечи от времени.
(р, Вт
КПД термоэлектрического модуля
Определим КПД термоэлектрического модуля - устройства, в котором теплота, полученная от пламени свечи, посредством теплообменника передаётся термоэлементам и с их помощью преобразуется в электричество. Общий результат, очевидно, должен быть равен произведению КПД каждого из этапов этого процесса.
Предположив, что при контакте продуктов сгорания с теплообменником тепло переходит только в теплообменник, можно рассчитать его КПД по формуле
т - т
т„ - т
50
1, / + ' + \
1 ++ > »
+ /
+ + Весь па рафин зился
4- ^распла
+ + -►
500
Ьс
20-300, 300-600, 600-1000 °С). Эти преобразователи обладают рядом преимуществ перед традиционными электромашинными преобразователями энергии: отсутствием движущихся частей, высокой надёжностью, простотой обслуживания, возможностью использования при низких рабочих температурах.
где Тп - температура пламени, тт - температура газов на выходе из теплообменника, Т0 -температура окружающей среды.
Для расчёта КПД собственно термоэлектрического преобразователя Т1Э воспользуемся данными производителя термоэлектрических модулей компании "КРИОТЕРМ"1. Напряжение и сила тока, генерируемого термоэлементами, пропорциональны разности температур на их спаях. Следовательно, мощность и, соответственно, КПД модуля пропорциональны квадрату этой разности температур:
^ = к(Тт - То)2,
где к - коэффициент, включающий в себя все постоянные величины, зависящие от конструктивных особенностей модуля. Численное значение этого коэффициента зависит от номинальных характеристик устройства, и
1 Шостаковский П. Термоэлектрические источ-
ники альтернативного электропитания // Компоненты и технологии. № 12. 2010. Доступно: http://kryothermtec.com/ru/.
+ t= 150 °C + t=130 °C + t=110 °C
+ t=100 °c
o 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 + t = 150 °C +t = 130°C
Рис. 6.
Электрические параметры ТЭГ: а - вольтамперные характеристики при различных разностях температуры на его сторонах; б - зависимость мощности от рабочего напряжения.
в нашем случае он оказался равным 1/300000 К-2.
Таким образом, КПД термоэлектрического модуля можно рассчитать по формуле:
четах и анализе температура пламени принята равной 700 °С, а температура окружающей среды - 0 °С. Функция достигает максимума при температуре теплообменника примерно 500 °С. При этом значение КПД оказывается близким к 25%! На сегодняшний день, к сожалению, полученное значение достижимо только в теории. Современные преобразователи имеют технические ограничения разности температур. ТЭГ, с которым проводились эксперименты, не позволяет делать ее больше 200°С (в противном случае он сильно деформируется и разрушается), что существенно ограничивает КПД.
Экспериментальное исследование ТЭГ
Экспериментальная установка представлена на рис. 4. Воздух, нагретый свечой, поднимается по трубе и нагревает изготовленный из дюралюминия радиатор, обладающий высокой теплопроводностью. Радиатор нагревает одну из сторон ТЭГ. Другая его сторона охлаждается радиатором, который является дном сосуда, содержащего смесь воды и льда.
Определение мощности свечи. Чтобы определить количественные характеристики ТЭГ требуется оценить тепловую мощность свечи Ртс:
P =
± тс
h!
T - T T„ - T
qDm
~дГ
k(Tt - T0)2.
Результаты анализа полученной функции представлены на рис. 3 в виде графика зависимости КПД модуля от температуры теплообменника. При рас-
где Аш - масса парафина, сгоревшего в свече за время А г, # - удельная теплота плавления парафина.
График зависимости мощности свечи от времени приведён на рис 5. На графике хорошо видно, что мощность
свечи сначала меняется с течением времени и приобретает постоянное значение, близкое к 50 Вт, к тому моменту, когда парафин полностью расплавится.
Выбор рабочей точки и согласование нагрузки. КПД установки, используемой в эксперименте, следует рассчитывать как отношение мощности генерируемого электрического тока к мощности тепла, поступающего от свечи. Мощность свечи постоянна, поэтому для достижения максимального КПД параметры электрической цепи должны быть подобраны таким образом, чтобы произведение силы тока на напряжение было максимальным.
Полученные экспериментально вольт-амперные характеристики ТЭГ при различных разностях температур на его сторонах (рис. 6а) позволяют определить значение электрической мощности в зависимости от напряжения на полюсах источника тока. На рис. 6б показаны такие зависимости для двух значений разностей темпер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.