Термоелектричний генератор: устрій і принцип дії

Термоелектричний генератор (або термогенератор) – являє собою електротехнічний пристрій, здатне на пряме перетворення тепла (теплової енергії) в електроенергію. Термогенератор містять в своїй конструкції термоелементи – різних з’єднання матеріалів, які утворюють термопари. Загальний принцип дії термоелектричного генератора заснований на використанні ефекту термо-ЕРС Зеебека. Суть даного ефект полягає в трансформації енергії за коштами різниці наявних температур на різних ділянках пристрою. В результаті виникає ЕРС на клемах термогенератора.

Секрет ефекту термо-ЕРС таїться в наступному – нагріваючи електричний провідник, негативно заряджені частинки (електрони) знаходяться всередині даного провідника приймають додаткову кінетичну енергію. В результаті вони стають більш активніше. Тобто, електрони обертаються навколо атомів і мають негативним зарядом «-». Дві заряджені частинки, які мають однаковий рід заряду, як відомо, намагаються відштовхнутися одне від одного. В умовах нормальної температури, електрони атома речовини мають мало енергії. Це відповідає певній силі відштовхування друг від друга. Якщо збільшити температуру, у електронів підвищиться їхня енергія, а це посилить відштовхування.

Тепер давайте з Вами подивимося на те, як можна застосувати цей ефект для подальшого отримання електроенергії. І так, ми маємо напівпровідник, який має два шари «n» і «p» провідності. У першого з них (n) всередині надлишок електронів, в іншого (p), їх недолік. При з’єднанні цих двох шарів між ними, в прикордонній зоні, утворюється прошарок, що протидіє переходу електронів з місця з їх надлишком, в те місце, де їх недолік. Ось тут то, температура нам на допомогу. При нагріванні цієї прикордонної зони відбувається повідомлення додаткової енергії електронам, яка їм допоможе подолати заборонену зону і перейти з одного шару в інший. У тому місці, звідки пішли електрони, з’явився позитивний заряд, а в те місце, куди перейшли – негативний заряд. Ось і термо-ЕРС.

Що стосується самої конструкції термоелектричного генератора. У нас є 2 напівпровідника у вигляді кубиків (шари «n» і «p» провідності). На одній стороні вони контактують з провідником. Над цим провідником діелектричний шар (що перешкоджає течією електрики, але добре проводить тепло). Над цим шаром ізоляції знаходиться частина, яка приймає тепло ззовні. З іншого ж боку нашого напівпровідника, до кожного з переходів електрично приєднаний металевий провідник (він не замикає зони «n» і «p» разом). Ці провідники є контактними висновками термогенератора. За провідником знаходиться діелектрик, за яким частина пристрою для охолодження термогенератора. У підсумку ми маємо 2 пластини (на протилежних сторонах, для нагрівання і охолоджування).

Подібні Термогенератор мають досить малий ККД (всього одиниці%). З цієї причини, для виробництва електричної енергії у великих кількостях їх застосування невигідно. Але в силу того, що сам принцип отримання електричної енергії має простотою, екологічністю, безпекою, надійністю, мінімальними габаритами, мобільністю і т.д., то даний пристрій знайшлося собі інше застосування. Наприклад, Ви поїхали на природу відпочити. Протягом тривалого часу у Вас не буде можливості зарядити мобільний телефон. Тут і буде корисний термоелектричний генератор (зроблений з «модулів Пельтьє»). Дане саморобний пристрій має розміри близько двох сигаретних пачок. Енергію для нього можна взяти від розпаленого багаття або від розпечених вугіль. Це пристрій може забезпечити потужність для живлення мобільників, ліхтариків, цифрових фотоапаратів, приймачів і т.д.

Модуля Пельтьє є термоелектричним пристроєм, який використовується для охолодження процесорів (що стоять на комп’ютерах). Його можна придбати в комп’ютерних магазинах. За вартістю воно не так вже й дорого. Спочатку даний модуль працює як холодильник, при подачі на нього напруги, але якщо його почати підігрівати з одного боку і охолоджувати з іншого, то він може і генерувати електроенергію.

Посилання на основну публікацію