Générateurs thermoélectriques d'énergie électrique TEG

Le matériel raconte les principes de fonctionnement des générateurs thermoélectriques et leurs domaines d'application.

La part du lion de l'électricité est désormais produite par des centrales thermiques. En brûlant du combustible fossile, les turbines des générateurs électriques sont mises en mouvement aux stations au moyen d'un caloporteur intermédiaire (vapeur surchauffée). La chaîne de production d'énergie est complexe, dangereuse et coûteuse. Mais cela vous permet de créer des unités puissantes pour générer de l'énergie électrique à haut rendement (rendement).

Existe-t-il une alternative pour convertir plus facilement la chaleur en électricité ? La physique dit oui. Tech dit, "Pas encore." À propos de qui a raison et quelles sont les difficultés sur la voie de la conversion de la chaleur en énergie, le matériau de cet article. La méthode de conversion directe de la chaleur en courant électrique est connue depuis 1821, date à laquelle le phénomène de thermoélectricité, connu aujourd'hui sous le nom d'effet Seebekov, a été découvert.

Lorsque le contact de deux métaux différents est chauffé, une différence de potentiel se produit aux extrémités des fils et, lorsqu'ils sont fermés, un courant commence à circuler dans le circuit. Les physiciens se sont vite rendu compte que l'amplitude du courant dépend directement du type de matériaux, de la différence de température entre les jonctions froides et chaudes du métal, de la conductivité thermique et de la résistance des métaux. De grandes différences de température et une conductivité élevée augmentent le courant, tandis qu'une conductivité thermique élevée affaiblit l'effet.

Après de longues tentatives pour créer un générateur thermoélectrique (TEG) utilisant des métaux, y compris nobles, cette idée a été abandonnée. Les métaux ont une faible résistance, ce qui permet de séparer la jonction froide et chaude spatiale, mais la conductivité thermique élevée et, par conséquent, le flux de chaleur de l'extérieur réduisent l'efficacité des éléments. L'efficacité résultante des éléments TEG en métaux ne dépasse pas 1-2%. L'effet a été oublié pendant longtemps et les jonctions de métaux différents n'étaient utilisées que dans la technique de mesure. Ce sont des thermocouples bien connus pour mesurer les températures.

Les premiers projets pratiques de TEG ne sont apparus qu'avant la Seconde Guerre mondiale. Le scientifique russe Yofe a suggéré d'utiliser des semi-conducteurs avec différents types de conductivité au lieu d'une paire de métaux différents. Dans ce cas, la différence de potentiel et la puissance des éléments TEG augmentent des centaines de fois. Le premier générateur TEG-1 a commencé sa production en 1942 et s'appelait le "Guerrilla Bowler". Installé sur un feu, le générateur produit 2 à 4 watts de puissance, assez pour alimenter une radio ordinaire.

Aujourd'hui, les descendants du premier générateur servent les géologues, les touristes et simplement les habitants des régions reculées.La puissance de tels générateurs est faible — de 2 à 20 watts. Des générateurs plus puissants (de 25 à 500 W) sont installés sur les principales canalisations de gaz pour alimenter les outils ou la protection cathodique des canalisations. Les générateurs de 1 kW ou plus équipent les stations météorologiques, mais nécessitent des sources de chaleur à haute température: par exemple, le gaz.

Pas grand-chose à dire sur les générateurs exotiques qui convertissent la chaleur de la désintégration radioactive directement en électricité - une portée trop étroite et des informations sensibles. On sait seulement que des satellites individuels dans l'espace sont équipés de telles installations pour l'alimentation continue de l'équipement.

Comme exemple de produits modernes, considérons les paramètres thermogénérateur type B25-12... Sa puissance électrique de sortie est de 25W à une tension de 12V. La température de travail de la zone chaude ne dépasse pas 400 degrés, le poids peut atteindre 8,5 kg, le prix est d'environ 15 000 roubles. Ces générateurs (généralement au moins 2) sont utilisés avec une chaudière à gaz pour le chauffage des locaux.

Selon le même principe, des modèles TEG plus puissants d'une puissance de 200 watts. En tandem avec une chaudière à gaz pour le chauffage des chalets, ils fournissent de l'électricité non seulement pour l'automatisation de la chaudière et de la pompe de circulation d'eau, mais également pour les appareils électroménagers et l'éclairage.

Malgré sa simplicité et sa fiabilité (pas de pièces mobiles), le TEG n'a pas été largement adopté. La raison en est le rendement extrêmement faible, qui ne dépasse pas 5-7% même avec des matériaux semi-conducteurs. Les entreprises qui développent de tels générateurs les fabriquent en petits lots sur commande. Le manque de demande de masse conduit à des prix de produits élevés.

La donne risque de changer avec l'apparition de nouveaux matériaux pour les convertisseurs thermiques... Mais jusqu'à présent, la science n'a pas de quoi se vanter : les meilleurs échantillons de TEG n'ont pas réussi à passer le facteur d'efficacité de 20 %. Dans cette situation, les brochures publicitaires de TEG, où l'efficacité est déclarée supérieure à 90%, ont un aspect quelque peu amusant. Peut-être est-il temps pour les scientifiques d'apprendre des spécialistes du marketing zélés ?