Geradores termoelétricos de energia elétrica TEG

O material fala sobre os princípios de funcionamento dos geradores termoelétricos e suas áreas de aplicação.

A maior parte da eletricidade agora é produzida por usinas termelétricas. Pela queima de combustível fóssil, as turbinas dos geradores elétricos são acionadas nas estações por meio de um transportador de calor intermediário (vapor superaquecido). A cadeia de produção de energia é complexa, perigosa e cara. Mas permite criar unidades poderosas para geração de energia elétrica com alta eficiência (eficiência).

Existe uma alternativa para uma conversão mais fácil de calor em eletricidade? A física diz que sim. A tecnologia diz: "Ainda não." Sobre quem está certo e quais são as dificuldades na forma de converter calor em energia, matéria deste artigo. O método de conversão direta de calor em corrente elétrica é conhecido desde 1821, quando foi descoberto o fenômeno da termoeletricidade, hoje conhecido como efeito Seebekov.

Quando o contato de dois metais diferentes é aquecido, surge uma diferença de potencial nas extremidades dos fios e, quando eles são fechados, uma corrente começa a fluir pelo circuito. Os físicos rapidamente perceberam que a magnitude da corrente depende diretamente do tipo de material, da diferença de temperatura entre as junções frias e quentes do metal, da condutividade térmica e da resistência dos metais. Grandes diferenças de temperatura e alta condutividade aumentam a corrente, enquanto alta condutividade térmica enfraquece o efeito.

Após longas tentativas de criar um gerador termoelétrico (TEG) utilizando metais, inclusive nobres, essa ideia foi abandonada. Os metais têm baixa resistência, o que permite separar a junção espacial fria e quente, mas a alta condutividade térmica e, consequentemente, o fluxo de calor do exterior reduzem a eficiência dos elementos. A eficiência resultante dos elementos TEG feitos de metais não excede 1-2%. O efeito foi esquecido por muito tempo e as junções de metais dissimilares foram usadas apenas na técnica de medição. Estes são termopares familiares para medir temperaturas.

Os primeiros projetos práticos do TEG apareceram apenas antes da Segunda Guerra Mundial. O cientista russo Yofe sugeriu o uso de semicondutores com diferentes tipos de condutividade em vez de um par de metais diferentes. Nesse caso, a diferença de potencial e a potência dos elementos TEG aumentam centenas de vezes. O primeiro gerador TEG-1 começou a ser produzido em 1942 e foi chamado de "Guerrilla Bowler". Instalado em uma fogueira, o gerador produz de 2 a 4 watts de potência, o suficiente para alimentar um rádio comum.

Hoje, os descendentes do primeiro gerador atendem a geólogos, turistas e simplesmente moradores de áreas remotas.A potência desses geradores é pequena - de 2 a 20 watts. Geradores mais potentes (de 25 a 500 W) são instalados nos gasodutos principais para ferramentas elétricas ou proteção catódica de tubos. Geradores de 1 kW ou mais equipamentos de estação meteorológica de energia, mas requerem fontes de calor de alta temperatura: por exemplo, gás.

Não há muito a dizer sobre geradores exóticos que convertem o calor do decaimento radioativo diretamente em eletricidade – um escopo muito estreito e informações confidenciais. Sabe-se apenas que satélites individuais no espaço são equipados com tais instalações para fornecimento contínuo de energia ao equipamento.

Como exemplo de produtos modernos, considere os parâmetros termogerador tipo B25-12... Sua potência elétrica de saída é de 25W a uma tensão de 12V. A temperatura de trabalho da zona quente não passa de 400 graus, o peso é de até 8,5 kg, o preço é de cerca de 15.000 rublos. Esses geradores (geralmente pelo menos 2) são usados ​​em conjunto com uma caldeira a gás para aquecimento de ambientes.

De acordo com o mesmo princípio, modelos TEG mais potentes com potência de 200 watts. Em conjunto com uma caldeira a gás para aquecimento de casas de campo, fornecem eletricidade não só para a automação da caldeira e da bomba de circulação de água, mas também para eletrodomésticos e iluminação.

Apesar de sua simplicidade e confiabilidade (sem partes móveis), o TEG não foi amplamente adotado. A razão para isso é a eficiência extremamente baixa, que não excede 5-7%, mesmo com materiais semicondutores. As empresas que desenvolvem esses geradores os fabricam em pequenos lotes sob encomenda. A falta de demanda em massa leva a preços elevados dos produtos.

A situação pode mudar com o surgimento de novos materiais para conversores térmicos... Mas até agora a ciência não tem do que se gabar: as melhores amostras de TEG não conseguiram ultrapassar o fator de eficiência de 20%. Nesta situação, os folhetos publicitários do TEG, onde a eficiência é declarada superior a 90%, parecem um tanto engraçados. Talvez seja hora de os cientistas aprenderem com os zelosos profissionais de marketing?