Термоэлектрические преобразователи. В основе прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электричество лежит эффект Зеебека

В основе прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электричество лежит эффект Зеебека, открытый в 1821 году. Если спаять концами два проводника разного химического состава и поместить спаи в среды с разными температурами (рисунок 1), то между ними воз-никает термо-ЭДС:

Е =α (Т ₁ - Т 2), (2)

где Т 1– абсолютная температура горячего спая; Т 2– абсолютная температура холодного спая; α – коэффициент пропорциональности.

В цепи проводников возникает ток I, причем горячий спай за секунду поглощает теплоту из нагретого источника в количестве Q = α T₁I, а холодный спай отдает теплоту низкотемпературному телу в количестве

а)

б)

Рисунок 1 – Конструкция термоэлектрического преобразователи

Q₂= α T 2 I. Разность подведенной и отведенной теплоты составляет секундную работу тока L, Вт:

L = α (T ₁ – T₂) I. (3)

Отношение работы к подведенной теплоте есть термический КПД процесса преобразования:

( 4)

Таким образом, КПД идеального термоэлектрического преобразователя совпадает с термическим КПД цикла Карно и полностью определяется абсолютными температурами холодного и горячего спаев. В реальных преобразователях имеют место потери из-за электрического со-противления проводников, их теплопроводности и термического сопротивления теплообмену спаев с окружающими средами. Поэтому дейст-вительный КПД установки равен:

(5)

При использовании металлических термоэлектродов КПД термоэлектрических преобразователей очень мал – не превышает сотых долей процента.

Значительный эффект дает применение полупроводников – КПД возрастает до величины порядка 10 %..

В современных термоэлектрических генераторах полупроводниковые термоэлементы, в которых горячие спаи нагреваются солнечными лучами, соединены последовательно. Такого рода генераторы применяются в качестве автономных источников электроэнергии для потребителей малой мощности – маяков, морских сигнальных буев, космических аппаратов и т. п.

Термогенераторы бывают низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.
Максимальная рабочая температура самых распространённых термоэлектрических генераторов – 200-250°C (они относятся к классу низкотемпературных). Их типовые размеры – 3 х 3 и 4 х 4 сантиметра. Напряжение, ток, мощность – порядка 2В, 1А, 2Вт (при температурах холодного / горячего спая 50 - 150 °С).