СОЛНЕЧНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ

Первые термоэлектрические генераторы использовали энергию солнечных лучей. Первые упоминания о таких опытных установках относятся к концу прошлого — началу нашего века. Это вполне объяснимо, если учесть постоянное стремление использовать энергию Солнца. В настоящее время область применения энергетических солнечных установок определена более четко. Следует отметить, что еще нет серийного производства солнечных ТЭГ и даже нет отдельных эксплуатируемых установок. Все известные типы солнечных ТЭГ, несмотря на их самую долгую историю, представляют собой опытные установки, на которых проверяются и отрабатываются отдельные задачи этой проблемы.

ТЭГ без концентраторов появился еще в начале XX в., и с тех пор его принципиальная конструкция существенно не изменилась. Солнечные ТЭГ этого типа представляют собой устройства типа «горячего ящика». Тепло от холодных спаев отводится проточной водой или охлаждающими ребрами.

ТЭГ, созданный в СССР, состоял из термоэлементов ZnSb— константан. Термомодуль имел вид блока с 12 последовательно соединенными термоэлементами. Вся термобатарея компоновалась из 70 модулей. Общая площадь горячих спаев равнялась 0,068 mz. Со стороны горячих спаев в горячем ящике было установлено двухслойное остекление, холодные спаи охлаждались проточной водой. Температура горячих спаев составляла 45° С, а холодных — 25° С и мощность достигала 0,0195 вг(эл.). К. п. д. всей установки при этом составлял 0,035%, к. п. д. термобатарей 0,1%. Просветлением защитных стекол увеличить разность температур можно незначительно.

На этом же принципе во Франции создан более мощный ТЭГ общей площадью нагрева 17 л2. На горячем спае термобатареи было установлено остекление, а холодные спаи охлаждались ребрами. Термобатарея была собрана из низкотемпературных материалов на основе В12Тез. При солнечной радиации 850 вт(мг общая мощность ТЭГ составляла 60—90 вт. Вырабатываемая им энергия шла на зарядку аккумуляторных батарей.

Основной недостаток таких ТЭГ—малый перепад температур на их термоэлементах и, как следствие этого, малый к. п. д. всей установки. Несколько эффективнее ТЭГ могут ра­ботать в космосе, где уровень солнечной радиации выше. Тогда предлагается создание тонкослойных панелей термобатарей из В1гТе3 с непосредственным нагревом их горячих спаев (надобность в остеклении в космосе отпадает). Охлаждение возможно с помощью излучающих пластин. Такие солнечные космические панели могут вырабатывать 40 вт/мг и иметь весовые характеристики до 50 вт/кГ. На этом принципе предлагается проект солнечного ТЭГ мощностью 10 кет и весом менее 200 кГ.

Солнечные ТЭГ с концентраторами солнечной энергии по своим конструктивным схемам делятся на два типа с одним концентратором и расположенной в его фокусе термобатареей и с большим числом маленьких концентраторов, в фокусах которых размещено по одному термоэлементу. Основная трудность конструирования солнечных ТЭГ — создание равномерной температуры горячих спаев термобатареи, размещенной в фокусе, поскольку тепловой поток в фокальном пятне распределяется по кривой Гаусса. Этот вопрос может быть решен различными путями, хотя следует указать, что лучшее решение пока не найдено.

Первый солнечный ТЭГ с концентратором был создан в СССР и представлял собой точный зеркальный концентратор диаметром 2 м, в фокусе которого размещалась плоская термобатарея из ZnSb — константана. На горячей стороне батареи помещена медная плита толщиной 5 мм, к шлифованной поверхности которой через слюдяную изоляцию прижимались горячие спаи термоэлементов. Тепло отводилось проточной водой. При разности температур 400° (420° С на горячем спае) мощность установки достигала 20 вт при напряжении 20 в, что соответствует к. п. д. термобатареи 1,42%, а к. п. д. всей установки 0,8%. Значительные потери в к. п. д. относятся на счет потерь отражением и поглощением зеркала и излучением и конвекцией от горячей медной плиты термобатареи.

В последующем были созданы и испытаны солнечные ТЭГ, в которых горячие спаи термобатареи нагревались непосредственно от концентратора, а выравнивание температур по их поверхности достигалось созданием требуемой конфигурации поверхности. Однако, ввиду большой сложности создания таких термобатарей, эти установки пока не дали положительных результатов. Нужно, тем не менее, подчеркнуть, что это направление — одно из самых правильных и эффективных.

Выравнивание температуры горячих спаев термобатареи было осуществлено по-другому в солнечном ТЭГ мощностью 10 вт: применением фацетного концентратора диаметром 1 м. Фацетный концентратор состоял из большого количества концентрически расположенных плоских зеркал. Каждое зеркало шарнирно закреплено на каркасе, так что оно может быть сфокусировано в любую точку термобатареи.

Специальной фокусировкой каждого фацета в отдельности на горячем спае термобатареи было достигнуто довольно равномерное распределение температур. Термобатарея состояла из десяти термомодулей, причем каждый состоял из 18 последовательно соединенных термоэлементов ВТез—ЭЬгТез (р-тип) и РЬТе (п-тип), скоммутированных друг с другом при помощи никелевых слоев одновременным прессованием. Общая площадь термобатареи составляла 0,01 м2. Горячие спаи термобатареи непосредственно освещались солнечными лучами, а, холодные охлаждались проточной водой.

Значения мощности и перепада температур этого ТЭГ в зависимости от солнечной радиации. При радиации 750 ккал/(м2-ч) разность температур на термобатарее составляет -~185° и мощность ~10 вт. Одновременно проверялась зависимость мощности от сопротивления нагрузки при различной солнечной радиации. Внутреннее сопротивление термобатареи равняется 3—3,5 ом и увеличивается с ростом радиации, а следовательно, и средней температуры полупроводника. Установка малоинерционна, что в принципе относится ко всем типам ТЭГ (разница в теплоемкостях системы). Мощность поднимается до стационарного значения через 3—4 мин после начала работы и уменьшается после дефокусировки за 8 мин практически до нуля. ТЭГ работал достаточно длительное время и показал хорошую стабильность энергетических характеристик.

Температуру горячего спая термобатареи в случае фацетного концентратора также можно выравнивать созданием разновысоких концентрически расположенных термоэлементов. Поскольку тепловой поток в фокальном пятне уменьшается по мере удаления от центра, то и длины термоэлементов должны пропорционально увеличиваться (с учетом темпера­турной зависимости теплопроводности) для получения на всех элементах одинакового перепада температур. Учитывая, что внутреннее сопротивление разновысоких термоэлементов различно, включать их в общую цепь желательно параллельно. Сложность изготовления таких установок заключается в конструкционных и технологических трудностях изготовления термобатареи.

Солнечный ТЭГ, представляющий собой набор небольших концентраторов с термоэлементами в фокусе, был разработан в СССР. Данные о его энергетических характеристиках не приводились. Подробное исследование этой схемы выполнено в США. Здесь основой конструкции является единичный блок, представляющий собой параболоидный концентратор, отражающая поверхность которого собирает солнечные лучи в фокус, где расположен приемник тепла с термоэлементом на раздвоенном опорном стержне. Последний установлен на сферической опоре.

Приемник тепла представляет собой сферическую поверхность, имеющую покрытие с высоким коэффициентом поглощения. Сфера крепится на теплопроводящем конусе с покры­тием, снижающим потери тепла излучением. Основание конуса— поверхность горячих термоэлементов, а холодные спаи — верх опорного устройства, разделенного электроизолятором, поскольку термоэлемент представляет собой два полуцилиндра га- и р-типов. Отводимое тепло проходит через стержень и электрическую изоляцию толщиной 0,0025 мм к фланцу и концентратору. Тепло, проходя по концентратору, отводится с его поверхности излучением. Используя блок, можно изготовить панели различных форм и размеров. Эта схема имеет ряд преимуществ: отдельные элементы легко снять для ремонта, конфигурация установки обладает большой гибкостью, что особенно важно у космических генераторов, упрощены учет и компенсация температурных деформаций.

Для проверки работы этой схемы была изготовлена и испытана действующая конструкция такого типа, состоящая из 56 блоков. Зависимость ее мощности от, солнечной радиации. При 860 ккал/(мг-ч) мощность генератора достигает 5 вт. На основе полученных данных выполнен расчет возможной конструкции солнечного ТЭГ для космических целей. Показано, что генератор из 676 блоков может выработать мощность 243 вт при весе ~8 кГ (размеры блока могут колебаться в пределах изменения диаметра концентратора от 7 до 10 см).

В последние годы создано несколько солнечных ТЭГ с концентраторами, имеющих промышленное значение. Прежде всего это генератор для подъема глубинных вод. Ветви р- и га-типов из низкотемпературных материалов жестко крепятся по стороне охлаждения на торце цилиндра из алюминия, разделенного изоляционной прокладкой. Коммутация горячих спаев имеет тепловой компенсатор. Вся сборка ведется на пластмассовом плоском корпусе, внутри которого протекает охлаждающая вода. Термоэлементы уплотняются кольцами и гайкой. Холодная коммутация осуществлена гибкими шинами. ТЭГ снабжен отражающим экраном, позволяющим улавливать сконцентрированные лучи. В экс­периментальном варианте поверхность ТЭГ составляла 140 см2. Концентратором являлся параболоид диаметром 1,4 м. В окончательном варианте ТЭГ работал С пара. Конструкция солнечного болоидным концентратором диаметром 4,86 м и вырабатывал мощность около 0,3 кет при напряжении 20 в. Он питал электроэнергией электромотор, приводящий в действие водяной насос.

Солнечный ТЭГ полостного типа состоит из приемной полости, теплового аккумулятора из гидрида лития и собственно термобатареи из GeBiTe и РЬТе и предназначен для космических целей. Имеется проект такого ТЭГ мощностью 150 вт с концентратором диаметром 2,44 м. Температура горячих спаев составляет 550—500 °С, а холодных 80° С, к. п. д. может достигать 5,83%.

Представляет интерес использование кольцевой термобатареи с тепловой трубой, нагреваемой параболоцилиндрическим концентратором по схеме. К. п. д. такого устройства может достигать 3%.

Дата публикации: 20.05.2012

Похожие записи:

• ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ НА ОРГАНИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ
• Альтернативная энергетика
• Перспективы создания биоэнергетической индустрии переработки сельскохозяйственных отходов
• Расширение области применения возобновляемых источников энергии и биотехнологий в рамках частно-государственно партнёрства
• Энергоэффективность и альтернативная энергетика одна из основных точек роста российской экономики в целом
• Перспективы использования виэ в томской области