Альтернативная энергетика

В термоэлектрических устройствах осуществляется прямое и обратное преобразование тепловой энергии в электричество, основанное на эффектах Зеебека, Пельте и Томсона. Данные эффекты проявляются при наличии разности потенциалов за счет диффузии носителей тока (электронов и дырок) при создании в ней градиента температуры, что используется в термоэлектрических генераторах электроэнергии, и, наоборот, в выделении или поглощении тепла при движении в такой структуре носителей тока. Последнее нашло применение в холодильных устройствах.

Термоэлектрическое преобразование энергии
В термоэлектрических устройствах осуществляется прямое и обратное преобразование тепловой энергии в электричество, основанное на эффектах Зеебека, Пельте и Томсона. Данные эффекты проявляются в возникновении разности потенциалов в полупроводниковой структуре за счет диффузии носителей тока (электронов и дырок) при создании в ней градиента температуры, что используется в термоэлектрических генераторах электроэнергии, и, наоборот, в выделении или поглощении тепла при движении в такой структуре носителей тока. Последнее нашло применение в холодильных устройствах.

    

В термоэлектрических генераторах (ТЭГ) в качестве источников тепла может быть использовано органическое либо ядерное топливо, радиоактивные изотопы, рассеиваемое тело отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, промышленных установок и т.д.

Несмотря на относительно низкий КПД термоэлектрического преобразования энергии, который на текущий момент составляет 5-8%, благодаря отсутствию движущихся частей, бесшумности и надежности, позволяющей работать таким системам в необслуживаемом режиме в течение длительного срока эксплуатации, который может достигать десятилетий, ТЭГ нашли свое применение при создании резервных или аварийных источников электроэнергии в районах децентрализованного электроснабжения, в частности на Крайнем Севере, генераторов на органическом топливе для защиты трубопроводов от коррозии (станции катодной защиты) и питания газораспределительных пунктов. На сегодняшний день таким генераторам практически нет альтернативы при освоении дальнего космоса. Запущенные в 1977 году 2 аппарата программы Вояджер с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ) на борту, успешно исследовав дальние планеты Солнечной системы, в настоящее время продолжают передавать данные для исследования переходных областей между солнечной и межзвёздной плазмой, являясь самыми удалёнными, долго и продуктивно работающим космическими объектами, созданным руками человека.

В настоящее время для будущих космических программ разрабатываются новые более эффективные радиоизотопные термоэлектрические генераторы с большей удельной электрической мощностью и сроком службы. 

Успешное применение термоэлектрического преобразования энергии в космических системах, высокая надежность РИТЭГ, огромное количество тепла, рассеиваемого в атмосфере, а также наметившийся мировой тренд на повышение энергоэффективности и экологичности технологий побуждают исследователей к расширению областей применения термоэлектрических генераторов, поиску и разработке новых более эффективных термоэлектрических материалов, оптимизации конструкторско-технологических решений, снижению стоимости подобных систем. В 2006 году, например, для изучения Плутона и его спутника Харона запущена автоматическая межпланетная станция «Новые рубежи» с РИТЭГ на борту.

Radioisotope thermoelectric generator Space Radioisotope thermoelectric generator

Одним из направлений работы НОЦ «Функциональные микро/наностстемы» (НОЦ ФМНС) МГТУ им. Н.Э. Баумана в данной области является разработка термоэлектрических генераторов, преобразующих рассеиваемое тепло транспортных энергетических установок и промышленных предприятий в электроэнергию.

В 2016 году совместно с кафедрой «Поршневые двигатели» был закончен проект по разработке экспериментального образца источника электрического питания с непосредственным преобразованием теплоты для транспортных систем различного назначения. Проект направлен на повышение эффективности работы двигателя путем утилизации части тепловой энергии, выделяющейся с выхлопными газами, доля которой составляет до 37% энергии сгораемого топлива.  Часть этой энергии может быть преобразована в полезную работу путем установки в выпускной системе термоэлектрического генератора, который позволяет повысить его энергоэффективность, снизить расход потребляемого топлива до 7%, а в некоторых случаях отказаться от штатного генератора.

a31.png a32.png

В рамках проекта была разработана математическая модель ТЭГ для ДВС, учитывающая в комплексе совокупность гидравлических, тепловых, электрических и механических процессов в силовой установке. Модель позволяет проводить расчет генераторов как с воздушным, так и водяным охлаждением, учитывает затраты электрической мощности на работу управляющей электроники, позволяет учитывать обратное влияния ТЭГ на ДВС за счёт создания гидравлического сопротивления в канале движения выхлопных газов, выбирать наиболее эффективные конструкции теплообменников для различных типов ДВС, включая стационарные установки.

 

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, который позволяет определять параметры математической модели и проводить её верификацию, исследовать особенности работы и производить доводку термоэлектрического генератора при установке его на различные двигатели. Входящие в состав стенда ступичный мощностной стенд и нагрузочное устройство позволяют проводить испытания ТЭГ в составе транспортного средства, моделируя в лабораторных условиях различные режимы движения автомобиля. Разработаны и изготовлены макеты ТЭГ для легковых и грузовых автомобилей мощностью: до 500 Вт и до 1 кВт.


Стоит отметить, что разработку автомобильных термоэлектрических генераторов ведут практически все крупнейшие мировые автопроизводители, включая Ford, GM, Toyota, BMW, Mercedes. Вместе с тем в настоящее время отсутствуют серийные образцы таких генераторов, что обусловлено необходимостью разрешения при проектировании эффективных систем множества технических противоречий, как, например, обеспечение в ограниченных габаритах одновременно интенсивного потока тепла через термоэлементы и малого гидравлического сопротивления. Разрешение этих противоречий требует комплексного всего множества процессов преобразования энергии в таком генераторе. 

В рамках выполненного проекта были предложены пути преодоление конфликта между положительным и негативным влиянием ТЭГ на ДВС, разработана методика рационального проектирования конструкции теплообменника, а также разработаны отельные конструкторско-технологические решения, повышающие эффективность установки автомобильных ТЭГ, включая применения теплообменника с изменяемой геометрией рёбер для снижения сопротивления при больших скоростях ОГ и повышения теплового потока при малых скоростях.

Помимо разработки законченных термоэлектрических систем преобразования энергии в НОЦ ФМНС также ведутся работы по разработке конструкторско-технологических решений, направленных на повышение эффективности и надежности термоэлектрических модулей как холодильного, так и генераторного назначения, разработке методик измерения физико-механических свойств полупроводниковых термоэлектрических материалов, термоэлементов и термоэлектрических батарей, а также разработке методик контроля технологического процесса их изготовления, включая оценку показателей надежности.

Другие направления
Последние события ФМН